微孔電極中微孔參數(shù)對電聲特性的影響

周賀，管顯濤，張允，張連成，劉振，閆克平

微孔電極中微孔參數(shù)對電聲特性的影響

周賀，管顯濤，張允，張連成，劉振，閆克平

(浙江大學工業(yè)生態(tài)與環(huán)境研究所，中國杭州 310028)

為研究等離子體震源的電聲特性隨孔特性的變化，采用微孔電極放電，通過電壓和電流探頭測量負載電特性，陰影成像法和高速相機記錄氣泡脈動特征，水聽器測量聲脈沖，主要研究了不同微孔間距和數(shù)目下的電特性、氣泡脈動和聲特性。結果表明，隨著微孔間距的增加，負載電壓和能量不變，而負載電流和功率卻在增加。另外，聲脈沖幅值隨著間距的增加出現(xiàn)了先上升再下降的趨勢，最大可達到148.8 kPa；當孔數(shù)增加時，負載的峰值電壓和電流雖然減少，但氣泡聲脈沖數(shù)增加，致使直達波的峰值增大。因此，增加孔數(shù)對提高微孔電極放電聲脈沖的峰值是有利的。

等離子體震源；微孔電極；多氣泡；電聲特性

0 引言

隨著脈沖高壓技術的發(fā)展，水中液電強聲技術[1]逐漸成為震源的一種新的形式。其中，基于水中脈沖放電[2]的電火花震源[3]能夠實現(xiàn)高分辨率的地震探測，受到國內外研究學者的廣泛關注和研究。TAYLOR等[4]采用正極性高壓尖端放電研究了在蒸餾水中的電聲轉換特性，結果表明當輸入電壓在20～40 kV時，產(chǎn)生的壓力可以達到1 000 MPa。YANUKA等[5]采用球形銅電極結構研究水下沖擊波的特性，研究表明當能量約為3.6 kJ時，產(chǎn)生的聲脈沖壓力約可達2×105MPa。BLAND等[6]通過實驗和二維模擬研究了超大能量(約8 kJ)的水下脈沖放電的特性，結果表明在0.1 mm處的沖擊波速度可以達到約7.5 km·s-1，壓力在10 μm內會大于1 MPa。OSHITA等[7]研究了不同電源輸入特性對氣泡特性和聲特性的影響，發(fā)現(xiàn)當電壓峰值從10增加到18 kV時，脈沖壓力從200 MPa增加到400 MPa。另外氣泡的最大半徑和聲脈沖的峰值變化一致，表明可以通過氣泡脈動來估算聲脈沖的幅值。REN等[8]研究了不同電路參數(shù)對電聲轉換的影響，發(fā)現(xiàn)電源效率受到電感、電阻、電容和實時電流等因素的影響。一般沖擊波的強度會隨擊穿電壓的提高而增加，與輸入電壓的關系不大。LIU等[9]研究不同放電間距和充電電壓等因素的影響，結果表明聲脈沖的強度和功率及能量注入效率有密切的關系。更長的放電通道和電弧的快速擴張可以激發(fā)形成更強的聲脈沖。SHAN等[10]提出了一種簡單的水下震源發(fā)生電源，并進行了不同電壓和電導率的實驗，分析了電特性、氣泡特性和氣泡的能量效率的變化，結果表明預放電時間不僅和電壓成指數(shù)關系，而且會隨著電導率的增加而縮短，但是其電效率很低，只有1%，能量浪費大。另外，沒有對聲特性進行研究。LIU等[11]研究了水的電導率對電聲轉換的影響，發(fā)現(xiàn)電導率主要有兩方面的影響，分流和電流損耗。其中，分流主要決定了放電過程。另外，增加電壓會減弱這兩種效應，從而提高能量的利用效率，產(chǎn)生更強的水下聲脈沖。ZHU等[12]研究了尖端電極的不同結構對電聲轉換效率的影響，結果表明當把電極縮進絕緣層里面可以有效地提高電聲轉換效率。這種改變可以提高電能的利用效率，但是該結構不僅使用壽命很短，而且不易制作。ZHANG等[13]提出一種新型的震源發(fā)射陣-微孔電極，研究表明可以提高震源的電聲轉換效率和電極壽命，有望替代傳統(tǒng)尖端電極成為一種新型發(fā)射陣。

學者們詳細研究了尖端電極下的電源特性，電極結構和環(huán)境對電聲轉換特性的影響，但是針對微孔電極下的電聲轉換的影響因素沒有進行相關的研究，初步研究表明這種結構擁有比尖端電極更優(yōu)異的性能，有望成為一種新型發(fā)射電極結構。因此，有必要對其性能進行驗證和優(yōu)化。本文主要通過研究一種簡易的微孔電極結構，通過實驗研究孔數(shù)和孔間距對電聲特性的影響，從而為微孔電極的優(yōu)化提供實驗基礎，實現(xiàn)電聲轉換效率的提高。

1 實驗裝置

圖1所示為本文中采用的實驗裝置的示意圖。其中，有機玻璃反應器長為41 cm，寬為30 cm，高為46 cm；脈沖電源為負極性電源，輸出能量范圍為4.9～22.8 J，對應的輸出電壓為-2.22～-4.77 kV；采用的放電電極是微孔電極，即在光滑的金屬棒表面包裹一層帶有微孔的絕緣材料，放置在反應器正中間。金屬電極采用不銹鋼，直徑為6 mm，絕緣層材料為聚乙烯(polyethylene, PE)，厚度為1 mm，孔徑為1 mm，水的電導率為55 mS·cm-1，溫度為室溫，約為288 K。負載電壓電流分別采用電壓探頭(North Star PVM-5 1000:1)和電流探頭(Pearson 4418 1000:1)進行測量，聲脈沖采用水聽器(BK8105)進行測量。水聽器的高度為23 cm，在反應器長度方向距微孔電極15 cm，距壁面5.5 cm，這一布設，可將水聽器接收到的放電氣泡聲脈沖和壁面反射脈沖在時域上進行良好的分離。實驗中的微孔均位于不銹鋼棒的同一個平面上，其布置以水聽器的高度為軸線。當孔數(shù)是偶數(shù)時，分別在軸線上下等間距布置微孔；當孔數(shù)為奇數(shù)時，如圖1中所示，其中一孔和水聽器位于同一高度，其余孔上下以間距為10 mm等距布置。最后通過示波器(Tek DPO4045B) 來記錄信號。另外，通過高速相機(NAC Memrecam fx 6000)和陰影成像法記錄氣泡脈動的圖像，幀數(shù)為10 000幅/s。

圖1 實驗裝置示意圖

2 結果與討論

2.1 雙氣泡

2.1.1 負載電特性

圖2和圖3是在放電能量為22.8 J下不同微孔間距下的負載電壓、電流、功率及能量的波形。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，隨著微孔間距的增大，負載電壓和負載能量幾乎沒有改變，分別為-4.5 kV和22 J；而負載電流和負載功率在逐漸增加，電流由微孔間距=5 mm時的279 A增加到=25 mm時的323 A，增加了15.7%。同時，負載功率由1 039.2 kW增加到1 158.3 kW，增加了11.5%。這是因為隨著微孔間距的增加，每個微孔所產(chǎn)生的等離子體氣泡的相互影響的作用變小，氣泡可以自由膨脹，從而產(chǎn)生更大的等離子體空間，等效于降低了間隙阻抗，從而引起了負載電流的上升。

2.1.2 氣泡脈動

圖4是不同微孔間距時的氣泡動力學過程，每幀圖的時間間隔為0.2 ms。其中，本次實驗產(chǎn)生氣泡的最大半徑約為16.7 mm，氣泡間距主要采用衡量氣泡相對位置的無因次距離來表征：

(a) 負載電壓

(b) 負載電流

圖2 不同微孔間距下的負載電壓和電流

Fig.2 Load voltage and current under different pore spacing

(a) 負載功率

(b) 負載能量

圖3 不同微孔間距下的負載功率和能量

Fig.3 Load power and energy under different pore spacing

(1)

其中，d是氣泡中心距離，即微孔的距離。

從圖4中可以看出，微孔電極下的雙氣泡脈動的兩個動力學特征，第一個是氣泡在接觸的時候會在中間形成一層水膜，當間距較近如5 mm和10 mm時，即θ=0.15和0.3時，由于氣泡的快速脈動，水膜會被迅速壓縮到很細的一條線。但是由于水膜的存在，仍可以看到在氣泡中間造成的規(guī)則圓形氣泡被擠壓成橢圓形。隨著間距的增加，在間距為15 mm即θ=0.4時，水膜更明顯。進一步增大間距，距離為20 mm即θ=0.6時，僅僅在脈動的后期可以看到水膜的出現(xiàn)。第二個是氣泡存在相互吸引融合的趨勢。在5 mm和10 mm時，氣泡在整個脈動階段都是融合在一起。直到距離為15 mm時，氣泡第一次脈動，兩個氣泡雖然相互影響，但是沒有完全融合，在第一次脈動結束才完全重合，且第二次脈動都在微孔間距的中心位置，說明它們不是在各自固定的位置上脈動，而是相互吸引，從而來到間距的中心位置。

2.1.3 聲特性

圖5(a)是不同孔間距下的聲壓隨時間變化的波形，圖5(b)僅分析直達波的聲壓隨時間的變化，主要表示了聲脈沖的幅值在時間軸上的改變。圖6是直達波脈沖峰值隨孔間距的變化。從圖5、6中可以看出，隨著微孔間距的增加，聲脈沖出現(xiàn)了先上升再下降的趨勢，表明存在一個最佳值。本實驗中觀測到的微孔間距最佳值為15 mm。當間距在15 mm的時候，氣泡周期和聲脈沖明顯高于其他間距，可以達到148.8 kPa。由圖4可知，這可能是因為當間距較近時(<15 mm)，氣泡剛生成就互相接觸，影響了氣泡的膨脹速度，因此聲壓較低。在5～15 mm范圍內，聲壓會隨著間距的增加而增加。當間距較遠時(>15 mm)，氣泡之間相互作用的影響可以忽略不計，但是由于離水聽器的距離增加，從而導致聲壓值的降低。因此存在一個最佳值，在這個值上的氣泡間的相互影響不會影響膨脹速度，而且距離適當。

2.2 微孔數(shù)目

2.2.1 負載電特性

具有多種保護特性的s EH抑制劑具有臨床運用的潛質,如TPPU、AUDA和APAU等,可對糖尿病、高血壓和腎纖維化均具有治療效果[6]。其中APAU已通過IIA期臨床試驗,而TPPU較APAU具有更好的化學穩(wěn)定性的效價[7]。目前尚未報道s EH抑制劑所引發(fā)的不良反應[8],因此TPPU的臨床運用前景極好。

本節(jié)主要研究的微孔數(shù)目分別是3、4、5、6、7，微孔的間距都是10 mm。圖7是放電能量為22.8 J下不同微孔數(shù)目下的電流和電壓波形。從圖7中可知隨著孔數(shù)的增加，其負載的峰值電壓和電流逐漸減少，分別從|-4.52| kV和316 A降低到|-3.52| kV和211 A。這可能是因為孔數(shù)的增加導致了負載阻抗的降低，而負載阻抗是決定負載電壓的關鍵因素，從而造成負載電壓峰值的降低。從圖7可以看出負載電流呈現(xiàn)下降的趨勢。這主要是因為負載電壓的降低，導致了負載電流的下降。圖8是不同孔數(shù)下的功率和能量波形。功率和能量同樣呈現(xiàn)出下降的趨勢。當孔數(shù)從2增加到7時，功率和能量分別從1 137.06 kW和22.68 J降低到579.35 kW和13.39 J，分別降低了49%和40%。另外，能量注入速率減少了50%。這表明僅從電特性分析可知孔數(shù)的增加會增加電能的損耗。

2.3 NASFL組與NASH組CD4+CD25+T細胞結果比較 NASH組患者外周血CD4+CD25+T細胞百分率明顯低于NASFL組，差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05），見表3。

(a) D=5 mm

(b) D=10 mm

(c) D=15 mm

(d) D=20 mm

(e) D=25 mm 圖4 不同微孔間距的雙氣泡圖像 Fig.4 Two-bubble pictures under different pore spacing

(a) 脈沖聲壓

(b) 直達波的脈沖聲壓

圖5 不同孔間距下的脈沖聲壓波形

Fig.5 Acoustic pressure waveforms under different pore spacing

圖6 不同孔間距下的直達波峰值 Fig.6 Peak value of direct acoustic pulse under different pore spacing

(a) 負載電壓

(b) 負載電流

圖7 不同微孔數(shù)目下的負載電壓和電流

Fig.7 Load voltage and current under different pore numbers

(a) 負載功率

(b) 負載能量

圖8 不同微孔數(shù)目下的負載功率和能量

Fig.8 Load power and energy under different pore numbers

2.2.2 氣泡脈動

圖9～12是在相同間距下的3氣泡、4氣泡、5氣泡和6氣泡的脈動圖像。隨著孔數(shù)的增多，每個孔所產(chǎn)生的氣泡的大小具有一定的隨機性，因此每個孔數(shù)下氣泡脈動圖形選擇了(a)、(b)兩幅圖。從這些圖中可以發(fā)現(xiàn)，微孔電極的多氣泡動力學特征：在氣泡脈動的過程中，大氣泡“吞并”小氣泡，這點在圖中都有顯示，在圖12(b)可以明顯觀察到；中間的氣泡會被擠壓成正方形，呈現(xiàn)“月牙狀”，這點從圖9(b)可以看到。另外，氣泡向里融合，但是融合卻存在兩種形式：第一種是外側擠壓內側氣泡并“吞并”內測氣泡達到融合，在圖9(a)可以明顯看到；第二種是更多的形式，外側氣泡向里融合并被內側的氣泡“吞并”，從圖9(b)和圖10可以觀察到。

(a) 3氣泡脈動圖像1

(b) 3氣泡脈動圖像2

圖9 3氣泡的脈動圖像

Fig.9 The dynamic pictures of three-bubbles

(a) 4氣泡的脈動圖像1

(b) 4氣泡的脈動圖像2

圖10 4氣泡的脈動圖像

Fig.10 The dynamic pictures of four-bubbles

(a) 5氣泡的脈動圖像1

(b) 5氣泡的脈動圖像2

圖11 5氣泡的脈動圖像

Fig.11 The dynamic pictures of five-bubbles

(a) 6氣泡的脈動圖像1

(b) 6氣泡的脈動圖像2

圖12 6氣泡的脈動圖像

Fig.12 The dynamic pictures of six-bubbles

2.2.3 聲特性

Obviously,Theorem 1 generalizes Theorem A for cases n=1 and k≥3 by replacing the non-zero constant c with a function c(z) which is holomorphic and non-vanishing in D.

圖13是在放電能量為22.8 J時，不同微孔數(shù)目下的聲特性，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，微孔數(shù)目從3增加到7，直達波的峰值會隨著孔數(shù)的增加而增大，具體數(shù)值如圖14所示，直達波的峰值從166.9 kPa增加到229.2 kPa，增加了37.2%，聲源級增加了2.8 dB。盡管從負載電特性可知，隨著微孔數(shù)目的增加，負載的電壓、電流和功率都降低。但是，隨著微孔數(shù)目增加，氣泡聲脈沖個數(shù)增加，水聽器接收到的總的合成聲脈沖增強了。因氣泡聲脈沖間存在互作用，脈沖峰值隨微孔數(shù)增加而增加，并非呈正比關系。

(a) 脈沖聲壓

(b) 脈沖聲壓

圖13 不同微孔數(shù)目下的聲壓波形

Fig.13 Acoustic pressure waveforms under different pore numbers

圖14 不同微孔數(shù)目下的直達波峰值 Fig.14 Peak value of direct acoustic pulse under different pore numbers

3 結論

本文研究了在微孔電極結構中的多氣泡相互影響下的電特性、氣泡脈動和聲特性。實驗結果顯示，微孔間距的增加，氣泡間的相互影響逐漸減弱，聲脈沖會出現(xiàn)一個最佳值，峰值最大可達到148.8 kPa。另外，孔數(shù)的增加雖會導致電源輸出效率降低，但氣泡聲脈沖數(shù)增加，致使直達波峰值增加。上述實驗研究結果，可供等離子體震源氣泡脈沖的電聲特性優(yōu)化參考。

然而，由于條件的限制，壁面的反射無法避免，因此只能對直達波進行分析，后續(xù)可以繼續(xù)進行聲能量和聲頻譜的研究。

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Effect of pore characteristics on electro-acoustic characteristics in micro-porous electrode

ZHOU He, GUAN Xian-tao, ZHANG Yun, ZHANG Lian-cheng, LIU Zhen, YAN Ke-ping

(Institute of Industrial Ecology and Environment, College of Chemical and Biological Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310028, Zhejiang, China)

Abstract: In order to study the variation of electro-acoustic characteristics of the plasma source with the pore characteristics, the discharge of micro-porous electrode is adopted. In this study, the electrical characteristics of the load is measured by voltage probe and current probe, the bubble dynamics is recorded by high-speed camera and shadow method, and the acoustic pulse is measured by hydrophone respectively. The electro-acoustic characteristics of multi-bubble discharge of micro-porous electrode with different pore spacing and numbers are investigated. The results show that with the increase of pore spacing, the load voltage and load energy change a little, whereas the load current and load power increase, and the peak of acoustic pulse increases first and then reduces, the maximum peak can reach 148.8 kPa. Besides, when the pore number increases, the peak voltage and current of the load decrease, bur the number of bubble purse increases, which increases the peak value of the direct acoustic pulse. Therefore, for the micro-porous electrode, the pore spacing has a best value and the increase of pore number is beneficial to the peak value of the acoustic pulse.

Key word: plasma spark; micro-porous electrode; multi-bubble; electro-acoustic characteristic

中圖分類號：TN912

文獻標識碼：A

文章編號：1000-3630(2019)-05-0537-08

DOI編碼：10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.05.010

收稿日期: 2019-04-16;

修回日期: 2019-05-18

基金項目: 國家重點研發(fā)項目(2017YFC0307403、2016YFC0303901)資助項目。

作者簡介:周賀(1994－), 男, 河南周口人, 碩士研究生, 研究方向為等離子體震源。

通訊作者: 劉振, E-mail: zliu@zju.edu.cn