水中脈沖放電的電特性與聲輻射特性研究

1、水中脈沖放電的電特性與聲輻射特性研究盧新培1潘垣1張寒虹21(華中科技大學(xué)電力工程系,武漢4300742(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)力學(xué)與機械工程系,合肥230026(2001年7月16日收到;2001年11月23日收到修改稿對水中脈沖放電等離子體通道電阻與放電參數(shù)之間的關(guān)系作了研究,得到了等離子體通道電阻與電容量、初始電壓、電極間距離的關(guān)系,以及通道電阻隨時間的變化規(guī)律.還對沖擊波的峰值壓力與放電參數(shù)間的關(guān)系作了研究,并對沖擊波壓力的功率譜作了分析,結(jié)果表明水中脈沖放電所產(chǎn)生的沖擊波的聲輻射頻率在幾十赫茲到幾萬赫茲之間,覆蓋了所有水聲設(shè)備的工作頻率,且在低頻段具有很強的聲功率,是一種理想的水下聲源.關(guān)

2、鍵詞:水中脈沖放電,等離子體PACC :5280,5290E 2mail :luxinpei hot 11引言自從1955年Y utkin 將液電效應(yīng)用于工業(yè)加工以來,人們對此做了大量的研究工作,它已被用于特種加工13、巖石破碎46等領(lǐng)域.近年來,由于環(huán)境問題越來越受到人們的重視,研究人員在水中脈沖放電用于污水處理715方面做了大量的研究工作,并取得了一定的進展.另外,水中脈沖放電所產(chǎn)生的聲信號與水下爆炸聲源所產(chǎn)生的聲信號具有相似的特性,水中脈沖放電是將電能在極短時間內(nèi)轉(zhuǎn)化為聲能,而水下爆炸是將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為聲能.雖然水下爆炸聲源已被廣泛采用,但它具有如下缺點:(1它是單脈沖聲源;(2對水中的魚

3、類有威脅;(3對海中采礦設(shè)施及海邊建筑物具有一定影響.而水下火花聲源沒有上述缺點,并具有如下特點:(1可以連續(xù)發(fā)送多聲脈沖;(2具有安全性;(3效率高;(4頻譜可調(diào),頻率覆蓋范圍寬,可以用來有效地模擬艦艇的聲譜,是一種有前途的噪聲模擬技術(shù).由于水下火花聲源具有上述特點,自從20世紀90年代以來,它被看作水下爆炸聲源的一種理想的替代聲源而被深入地研究1623.由于放電時火花通道的電阻影響著輸入到通道內(nèi)的能量,從而對氣泡的動力學(xué)過程具有顯著的影響,Cannelli24認為放電通道電阻沒有變化,本文所給出的實驗結(jié)果表明,通道電阻是隨著放電時間的推移而逐漸增大的,文中將給出通道電阻各周期的變化情況,還

4、將給出沖擊波壓力與回路參數(shù)的關(guān)系,并對沖擊波壓力作頻譜分析.21實驗裝置圖1為實驗裝置簡圖.它由充放電回路、電測量系統(tǒng)和壓力測量系統(tǒng)所構(gòu)成.充電電容為3個4115F 的電容器組成,初始電壓為530kV ,電極間距離為290mm 可調(diào).兩電極用<=2mm 的銅棒制成.水箱中裝入自來水.采用高壓電極觸發(fā)空氣火花間隙開關(guān).每次放電時在電極間焊上直徑為0102mm 25的銅絲以保證放電的可重復(fù)性.電極間的電壓用分壓器測量,回路電流用茹柯夫線圈測量,由瞬態(tài)波存記錄電流、電壓波形信號.沖擊波的壓力由壓電式壓力傳感器測量,壓力傳感器安裝在放電室的壁上,壓力信號先通過YE5857電荷放大器放大,然后由X

5、G D 瞬態(tài)波存記錄壓力波形.31實驗結(jié)果與分析3111電特性分析分析放電回路可知,水中高壓脈沖放電的電特性由RLC 回路的微分方程決定:L d 2Q d t2+R (t d Q d t +QC =0,(1第51卷第7期2002年7月100023290200251(071549205物理學(xué)報ACT A PHY SIC A SI NIC AV ol.51,N o.7,July ,20022002Chin.Phys.S oc.圖1實驗裝置簡圖1為充電電阻;2為觸發(fā)信號;3和4為分壓器;5為羅柯線圈;6為壓力傳感器;7為電荷放大器;8為XG D21010型瞬態(tài)波存式中L是放電回路及儲能電容器的電感,

6、C是儲能電容器的電容,Q是存儲在電容器C上的電荷, R(t是短路回路平均阻抗R cir與等離子體通道平均阻抗Rch之和.其中R cir是通過短路水中的電極進行放電,并根據(jù)此時的電流電壓波形計算求得,該電阻包括球隙開關(guān)的電阻.而根據(jù)電弧理論,球隙開關(guān)電阻主要由陰極壓降決定,對于銅球隙開關(guān),該壓降約為10V26.在我們的放電參數(shù)下,回路的峰值電流在前兩個周期約為4×1032×104A量級,亦即由于放電參數(shù)不同而引起的球隙開關(guān)電阻的變化約為3m,因此在實驗中就忽略了球隙開關(guān)電阻對于不同放電參數(shù)而引起的變化,亦即將外回路電阻Rcir 當(dāng)作常數(shù),實驗結(jié)果表明該電阻約為75m.當(dāng)總電容

7、為813和12145F時,回路電感分別為418和512H.實驗結(jié)果表明,水中放電等離子體通道電阻隨時間變化,它不僅與電極間距離有關(guān),而且與電容器的電容量C、初始電壓V0有關(guān).當(dāng)電極間距離d 不是很大,或初始電壓足夠高時,在最初幾個放電周期內(nèi)通道電阻的變化對電流脈動周期的影響不明顯,即此時衰減系數(shù)(0=1LC.但經(jīng)過幾個衰減振蕩周期后,電阻值迅速增大,電流趨于零.振蕩周期數(shù)與電容量、初始電壓及電極間距離有關(guān).電容量越大、初始電壓越高、電極間距離越小,則振蕩周期數(shù)越多.圖2給出某次放電所測得的電流、電壓波形.根據(jù)電流的衰減振蕩波形,可求出各周期整個回路的平均電阻,用它減去外回路平均電阻Rcir即可

8、得等離子體通道平均電阻隨時間的變化過程.表1 列出不同放電參數(shù)時前兩個周期整個回路平均電圖2當(dāng)V0=20kV,C=12145F,L=512H,d=2mm時的電流I及電壓V波形圖阻的變化情況.表1前兩個周期整個回路平均電阻與放電參數(shù)間的關(guān)系(單位:m序號CF V0/kV d/mm R1R2112145209017022021214520581301603121451558150210412145202310012051214515231101306121451023130170712145203901008121451531001009121451031001101012145731101201

9、18132590160190128132090190220138132058140170148131558170230158132024120130168131524120150178131024140230188132051001101981315511011020813105130130圖3即為根據(jù)表1數(shù)據(jù)求出的放電最初兩個周期的通道平均電阻Rch j隨電極間距離的變化情況,下標j表示第j個振蕩周期.考慮到低初始電壓的數(shù)據(jù)較少,圖3只給出初始電壓為20kV時的結(jié)果.圖3(a和(b分別對應(yīng)電容為813和12145F.由上述的實驗數(shù)據(jù)可以看出,當(dāng)電極間距離d0551物理學(xué)報51卷 (aC=81

10、3F,V0=20kV(bC=12145F,V0=20kV圖3對應(yīng)不同放電參數(shù)時的通道平均電阻R ch隨電極間距離d的變化曲線為R ch1,為R ch2給定,初始電壓V0越高,等離子體通道的電阻R ch j 就越小.這是由于兩方面的原因造成的.一方面是由于電壓越高,電流就越大,等離子體溫度也就越高,因而電離率越大,導(dǎo)致電導(dǎo)率增大.另一方面,較高的電壓導(dǎo)致更高的等離子體溫度,從而等離子體通道壓力也越大,這促使等離子體通道加速膨脹,增大了導(dǎo)電截面,最終導(dǎo)致通道電阻減小.需要說明的是,此處的磁壓力PB與通道壓力相比小24個數(shù)量級,因而不用考慮其對通道膨脹的影響.R ch隨著時間推移而增大,這是由于輸入

11、通道的能量隨時間的推移不再能夠補償通道膨脹及輻射所損失的能量,從而等離子體溫度開始下降,電離率降低,最終導(dǎo)致電阻增大.由表1第710號數(shù)據(jù)還可看出,對于短間隙,電容器的初始電壓對通道電阻的影響不大,但對于長間隙則具有明顯的影響.3121壓力特性圖4(a和(b給出第一次沖擊波峰值壓力與各放電參數(shù)間的關(guān)系.從圖4(a和(b可以看出,當(dāng)d =5mm時,沖擊波峰值壓力與電容量基本沒有關(guān)系,但隨著電極間距離的增大,其依賴關(guān)系明顯增大.沖擊波峰值壓力與電壓和電極間距離具有明顯的依賴關(guān)系.增大初始電壓和電極間距離都有利于沖擊波峰值壓力的增大.但是當(dāng)放電間隙不用初始絲時 , 增大電極間距離將導(dǎo)致間隙擊穿延遲的

12、隨機性增大,甚至無法擊穿.而增大初始電壓總是有利的.因此,為了獲得更高的壓力值,在可能的條件下盡量采用增大初始電壓的辦法.圖4沖擊波峰值壓力與各實驗參數(shù)間的關(guān)系(a為當(dāng)C=813F時沖擊波壓力P隨初始電壓V0的變化曲線;(b為當(dāng)C=1215F時沖擊波壓力P隨電極間距離d的變化曲線圖5給出當(dāng)C=813F,V=20kV,d=5mm時,在離通道013m處所測得的壓力波形及其功率譜.由圖5(a可以看出在15ms左右氣泡回漲產(chǎn)生了二次沖擊波.圖5(b是對(a進行傅里葉變換所得的15517期盧新培等:水中脈沖放電的電特性與聲輻射特性研究 (a 壓力P 波形圖(b 壓力P 波形功率譜圖圖5實驗所得壓力波形圖

13、及其頻譜圖結(jié)果.由圖5(b 可以看出,在這樣的放電參數(shù)下,水中脈沖放電的聲輻射頻率主要覆蓋了從幾十赫茲到幾萬赫茲的范圍,它完全覆蓋了水中爆炸聲源的頻率范圍27和所有水聲設(shè)備的工作頻率28,并且在低頻段具有很強的聲輻射功率,因此是一種非常理想的水下聲源.41討論與結(jié)論本文對水中脈沖放電的回路參數(shù)與通道電阻及沖擊波峰值壓力之間的關(guān)系作了研究.結(jié)果表明,等離子體通道電阻隨著電容量的增大和初始電壓的增加而逐漸減小,并隨著電極間距離的減小而逐漸減小.至于沖擊波壓力,當(dāng)電極間距離較短時,電容量對沖擊波壓力的影響不大,但是當(dāng)電極間距離較長時,該依賴關(guān)系明顯加強.而增加初始電壓對增大沖擊波壓力總是有利的.文中

14、還對沖擊波壓力的頻譜作了分析,結(jié)果表明該沖擊波壓力的功率譜具有頻帶寬,低頻部分具有很強的聲輻射強度的特點.該沖擊波的聲譜可通過調(diào)節(jié)放電回路參數(shù)、電極間距離的方法進行調(diào)節(jié),或通過改變電極結(jié)構(gòu),采用多脈沖等方法進行調(diào)節(jié),這些都有待于進一步深入研究.對劉保華研究員和丁同海碩士在實驗過程中給予的幫助,以及胡希偉教授、李勁教授的理論指導(dǎo)表示衷心的感謝.1Zhang L et al 1998J .Dalian Univ .Technol .38207(in Chinese 張雷等1998大連理工大學(xué)學(xué)報382072W ang Y R 1991Selected Paper s o f Internation

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