Page 48 - 《应用声学》2019年第6期

950 2019 年 11 月

∫ ∫ t
∞
′
′
′
Q(t) = i 1 (t )dt − i 1 (t − β/c)dt ′ 2 仿真及实验结果分析
0 0
= U 1 C 1 e −(t−β/c)/R 0 C 1 ,
2.1 高能电极空气间隙场强的仿真分析
( )
√ z
2
2
η = −x, r = y + z , φ=arctan . (6)
y 将 R 1 = 100 Ω、R 2 = 300 kΩ、C 1 = 220 µF、
联立式 (1)、式 (5) 式 (2) 和式 (6) 可求得点火电 R 0 = 5 Ω、d 1 = 8 mm，d 2 = 6 mm，h = 10 mm
容C 1 放电时，高能放电正负极间空气间隙任意位置 代入式 (1)、式 (5) 式 (2) 和式 (6)，做出电容 C 1 放电
的电场强度。若某对放电极针空气间隙上每一点的 10 ms 时，高能电极间的电场强度随位置变化曲线
电场强度均达到空气击穿场强30 kV/cm，则该对电 如图 4(a) 所示，其中空气间隙上各点沿 x 方向以
极间的空气被击穿 [13] ，储能电容组C 2 和C 3 串联升 0.015 mm 为步长递增。以高能电极间场强最小位
压后，通过该对电极和电极间空气间隙组成的回路
发生大能量火花放电发出强烈的爆震声。 162

1.4 参数设计 158
枪声模拟系统设计过程中，电极组结构参数的 E/(kVScm -1 ) 154
确定可从以下两方面考虑：(1) 高压发生器 T 1 的输
出电压需可靠击穿点火电极间的空气间隙；(2)点火 150
电容放电辐射的电场需同时击穿高能电极间的空
146
气间隙1和空气间隙2。图2中的六根电极使用直径 -1.5 -1.0 -0.5 0 0.5 1.0 1.5
x/mm
为 2.76 mm 的铜材质柱形材料加工而成，电极组的
√
(a) t=10 ms, y/  x, h=10 mm
结构参数取d 1 = 8 mm，d 2 = 6 mm，h = 10 mm。
10 7
根据电极参数 d 1 和式 (3) 可求得高压发生器 10 6
10 5
T 1 输出电压的最小值为 26.3 kV，为避免 T 1 的 10 4
输出电流烧毁二极管 D 1 、输出电压击穿二极管 E/(kVScm -1 ) 10 3
D 2 ，T 1 输出电压在满足最小值要求的情况下， 10 2 1
10
优先选用小电流、低电压器件，此处选用 7.4 V 10 0
10 -1
输入、30 kV 输出的小电流高压逆变器。将电极
10 -2
组结构参数代入式 (1)、式 (5) 式 (2) 和式 (6)，并 10 -3
0 4 8 12 16 20
利用空气击穿场强 30 kV/cm 的约束条件，可以 t/ms
(b) x=1.5 mm, y=2.6 mm, h=10 mm
确定点火电容 C 1 放电电流的取值范围，此处 C 1
10 3
选用 450 V/220 µF 电解电容，R 1 和 R 2 分别使用

100 Ω/10 W 和 300 kΩ/3 W 电阻；电容 C 2 和 C 3
的选取需综合考虑待模拟枪声的声级以及音质特
性，C 2 和 C 3 取值越大所模拟枪声的声级越高但 E/(kVScm -1 ) 10 2
声音越沉闷，此处 C 2 和 C 3 选用 450 V/1000 µF (11.5, 33.1)
电解电容，电阻 R 3 和 R 4 分别使用 100 Ω/10 W 和
(11.6, 29.9)
300 kΩ/3 W 电阻；二极管 D 1 和 D 2 的选取主要考 10 1
10.0 10.4 10.8 11.2 11.6 12.0
虑其浪涌电流和击穿电压特性，而整流桥 D 3 和二 t/ms
极管 D 4 的选取主要考虑其正向导通电流和工作电 (c) ႃڤूए௑࡙۫ࠕ
压特性，二极管 D 1 和D 2 分别选用30 kV/50 mA 和 图 4 点火电容放电时的辐射电场强度
30 kV/75 A 的高压硅堆，D 3 选用 KBL608 整流桥， Fig. 4 Electric field intensity radiated by dis-
D 4 选用1000 V/5 A的整流二极管。 charge of ignition capacitor