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702 2018 年 9 月

本文采用自主研发的纹影 -动态光弹冲击波观
1 引言
测系统，实现了液电冲击波在液体和固体介质中传
播过程的高分辨率观测。
冲击波是一种强烈的瞬态非线性波动现象，在
自然界中广泛存在，相关研究一直是学术和工程领
2 水下电火花空泡冲击波源
域的热点。在军事领域，爆炸冲击波是武器效应的
主要损毁方式之一 [1−5] 。在医学领域，自20世纪80 本文采用中科院声学所和中科院电工所合作
年代末起，冲击波碎石术开始应用，相应的理论和技 研发的高压脉冲放电空泡发生系统，如图1所示。水
术研究一直在持续 [6−9] 。 下放电电极采取两根细铜丝搭接的方式连接，当施
产生冲击波有多种方法，但从安全性、可控制 加高电压时，由于两个电极间的接触电阻很小，在触
性等角度而言，在实验室利用爆炸产生冲击波具有 点处产生很高的电流密度。脉冲电流瞬间产生的大
一定难度。水下高压放电技术在静止液体中产生 量电阻热使触点处的温度骤然升高，附近的液体被
电火花空泡，空泡在急剧压缩时会发生崩塌，崩塌 迅速汽化产生蒸汽空泡。空泡中的两个铜丝在高温
时气泡内部会产生 “三高”：高密度、高压强和高温， 中被熔断，使两个电极分离，产生缝隙，形成空载电
这些是声致发光、声化学等声空化现象的作用机 压。空载电压在电极间建立的电场具有很大的电场
理 [10−11] ，同时会向外部辐射冲击波，称为液电冲击 强度，可使空泡内的水蒸气发生电离，产生高温等离
波。电火花空泡的产生可精确触发，重复性好，是一 子体脉冲电弧，使空泡进一步变大。脉冲放电结束
种安全的冲击波产生手段，适宜进行实验研究。由 后，两极间介质进行消电离，恢复绝缘状态，球形空
于气泡崩塌是一个瞬时发生的复杂物理过程，很多 泡也随之溃灭。
研究采用数值仿真和实验方法。数值仿真计算一般 水下电火花放电能量的瞬间释放形成空泡，在
采用各种有限元软件 [1−4] ，研究冲击波的传播、聚 空泡体积膨胀到最大时，空泡的泡壁速度虽然为零，
焦以及与固体结构的作用等。实验方法主要采用压 但是空泡处于力学的不平衡状态，此时加速度最大。
力传感器探针或水听器 [5,8,12−15] 、纹影法 [16−18] 和 空泡内外的巨大压差促使空泡开始向内迅速坍缩。
动态光弹法 [19−22] ，用于测试和观察冲击波的压力 当空泡溃缩至空泡的平衡半径时，虽然内外压差为
载荷、在流固介质中的波动场或应力场。纹影法和 零，但此时空泡的泡壁速度最大，周围液体的惯性力
动态光弹法可对透明液体和固体介质中的冲击波 促使空泡进一步向内坍缩，直至崩塌，空泡内部以及
进行全场成像，且对波场无干扰，是研究冲击波的重 周围液体的压力迅速升高，形成一个很高的压力脉
要实验手段。 冲，即冲击波，并向外传播，如图1所示。

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图 1 电火花空泡发生系统示意图
Fig. 1 A schematic diagram of electric spark bubble system

所示的纹影-动态光弹冲击波观测系统，可同时观测
3 纹影-动态光弹法冲击波观测系统
电火花空泡产生的冲击波在液体和固体介质中的
纹影法利用流体密度变化引起介质的光学折 传播现象。
射率变化，可对流体中的波动场进行成像观测。动 在图2中，当检偏器与起偏器夹角垂直时 (偏振
态光弹法是基于光的暂时双折射效应，可观测透明 方向 1 和 3)，即是动态光弹系统，能够对透明固体
固体中超声波的传播和散射现象 [23] 。本文采用图2 介质中的波动应力场进行动态成像。调整检偏器，