等离子体声源是一种新型的强声源,具有声源级高、波形参数和频谱范围可调的特点。在国防、工业和医疗等领域,该声源都具有广阔的应用前景。与常规的压电式声源不同,等离子体声源通过电容储能高压脉冲放电的方式将电能转换成声能。根据强声的产生机理,等离子体声源的放电方式主要分为电弧放电和电晕放电两种。电弧放电比电晕放电产生的声脉冲压力幅值高,但是在电弧放电条件下介质的击穿时间具有随机性,从而使得声波的相位难以精确控制。为了提高等离子体声源的有效作用距离,需要通过一定的方式对声波进行聚能。在现阶段精确控制电弧放电等离子体声源产生的声波的相位存在困难,我们难以使用相控阵列或声透镜的方式对声波进行聚能。本文主要针对曲面反射的聚能方式,对等离子声源反射声场的规律开展了理论研究、数值模拟和实验研究:首先,在线性条件下,假设从反射罩焦点发出的声脉冲为球面波,声波的波长远小于反射罩的几何尺寸,且观察点位于反射罩的轴线上。根据Kirchhoff公式和线性系统理论得到了计算轴向反射声场的时域理论解。为了突破理论解的一维限制,利用Piwakowski提出的DR方法计算卷积形式的Kirchhoff积分,进而得到了计算反射声场的一般数值解。在非线性条件下,通过引入海水介质中两种盐类——Mg SO4和B(OH)3的弛豫吸收得到了扩展型的KZK方程。利用等效声源的方法,建立了求解强声反射声场的理论模型,并从算法稳定性、精度和计算速度等方面对求解KZK方程的FDTD方法进行了改进。讨论了强声引发的声空化问题,重新推导并更正了大振幅气泡运动的QX方程。其次,利用C-MEX混合编程的方法,独立编制了计算程序,开展了针对强声反射声场演化过程的数值模拟。研究了沿抛物面或椭球面反射罩轴线和垂直于抛物面或椭球面反射罩轴线两个方向上的强声反射波的传播演化;讨论了二维反射声场的分布特点;分析了抛物面“深焦比”变化对反射聚束性能的影响,以及非线性效应对椭球面反射聚焦过程中实际焦点位置的影响。第三,根据理论模型开展了强声反射声场的参数特性研究,讨论了反射罩和声脉冲波形两类参数对反射声场的影响。其中,反射罩参数包括反射罩底部钻孔、侧面截断和离心率变化等;声脉冲波形参数包括脉冲的上升时间、宽度和压力幅值等。最后,建立了由水箱、等离子体声源、椭球面反射罩、压力测量系统和高速摄影系统等组成的实验平台,并籍以测量了强声直达脉冲的波形,验证了直达波的球面波特性;研究了强声反射波的演化过程,对水中负压的形成原因进行了解释;测量了强声反射波沿椭球面轴线的时域波形和声压幅值的空间分布,验证了理论计算关于椭球面反射聚焦和实际焦点位置偏移的结论;测量了空化气泡的运动过程,分析了在反射罩的焦区强声脉冲驱动下的气泡运动特点。通过研究,主要得出了以下结论:1、衍射效应将使得反射声脉冲出现“中心波”、“边缘波”和“尾波”等波形结构。这三种波的压力幅值、相位和到达时间与反射罩的几何形状和观察点的位置有关。对抛物面反射聚束,中心波为正压,边缘波和尾波为负压,且中心波比边缘波和尾波的压力幅值高。对椭球面反射聚焦,在焦前区,中心波为正压,边缘波和尾波为负压;在焦后区,则恰好相反。在抛物面反射罩的远场区和椭球面反射罩的第二焦点处,中心波、边缘波和尾波的到达时间相同,三种波相互叠加使得反射脉冲波形与声源波形的导数形式(df/dt)相同。此时,反射波的声压幅值除与声波频率有关外,还与反射罩的几何参数有关。2、非线性效应将导致椭球面反射聚焦过程中实际焦点的位置发生偏移,即正压的实际焦点出现在几何焦点之后,负压的实际焦点出现在几何焦点之前。这种现象可以通过“自折射”的原理来解释。3、根据抛物面“深焦比”变化对峰值声功率的影响特点,提出了“衍射主导区”的概念。类似于非线性声饱和现象,在目标点处,固定焦距,当抛物面的深焦比或口径增加到一定程度时,峰值声功率将停止增加。如果固定抛物面口径,则存在一个最优的深焦比,即d/zF=3.92,使得远场的反射声压达到最大。这种规律对反射罩的设计具有指导作用。4、反射罩形状改变将对反射声场造成影响。(1)抛物面反射罩底部钻孔将使得轴线附近的声压幅值出现回落的现象。在电极安装方式上,侧插式比直插式对反射声场的影响更小。(2)椭球面反射罩侧面截断将使得第二焦点处的反射波压力幅值降低,并使得沿截断方向的-6d B焦区宽度增加。(3)椭球面离心率增加反而使得焦点附近的反射波压力幅值降低。5、声脉冲波形的上升时间tr、脉冲宽度T和压力幅值p0等参数对反射声场具有不同的影响。tr对反射声场的影响不明显,T增加将导致反射波负压的持续时间增加、焦点附近的反射波压力幅值降低、负压的实际焦点位置前移,p0增加反而使得聚焦增益下降。6、在实验室的工况条件下,等离子体声源产生的强声波上升时间约为5μs,持续时间约为25μs,压力幅值约为1MPa(L=30cm)。直达波具有良好的球面波特性,反射波的聚焦特性和实际焦点位置与理论计算结果相一致。高速摄影观察到的气泡运动特征验证了强声脉冲特有的波形结构。本文的研究为我国未来等离子体声源的试验研究和具体应用提供了一定的理论基础和设计依据。