Page 233 - 《应用声学》2025年第2期

第 44 卷 第 2 期 王巍然等： 局部放电中声波产生机理及仿真分析 493

120 2.0 对电流脉冲和声波脉冲进行频谱分析，二者的
110 ႃื 1.8
100 ႃߕ࢏ϙࠛए 1.6 频谱对比如图 5 所示。分析频谱后发现，针尖附近
90 的声波和特里切尔脉冲的峰值频率基本一致，均在
1.4
80 1.2 1.45 MHz 附近。这是因为放电电流与声波产生的
ႃื/µA 70 1.0 ႃߕ࢏ϙࠛए/(10 18 m -3 ) 来源是紧密相关的，均是由带电粒子在电场中运动
60
50
40 0.8 导致的密度周期性变化。
0.6
30
0.4
20 1.2
0.2 1451
10
0
0 1.0
0 2 4 6 8 10
௑ᫎ/µs
0.8
ॆʷӑࣨए 0.6
图 3 电晕电流和电子峰值密度的相关性
Fig. 3 Correlation between corona current and
electron density 0.4
3.2 针尖附近处的声波特性 0.2

通过声场仿真，计算出了针尖正下方 1 mm 及 0
0 400 800 1200 1600 2000
2 mm 处的声波波形，声压随时间的变化如图 4 所 ᮠဋ/kHz
示。由于在放电过程中特里切尔脉冲的频率非常高， (a) ႃืᑢфᮠ៨
1.2
来自多个脉冲的声波是混合的，无法清晰地区分每 1451
1 mm
个脉冲对声波的单独贡献。同时，两点的声波到达 1.0 2 mm
时间也有所差异，这对应了声波的传播时间。在第 0.8
一个电流脉冲引起的声波到达之前两点的声压并
不严格为 0，这是因为电子的迁移速度大于声速，因 ॆʷӑࣨए 0.6
此在首个较大的声波脉冲到达前，该点附近电子密 0.4
度的变化已经引起了较小幅度的声压变化。还可以
0.2
观察到 2 mm 处声压的明显降低。这是由于电子密
0
度和电场强度随着与针尖的距离增大而下降，引发 0 400 800 1200 1600 2000
ᮠဋ/kHz
声波的热源减小。
(b) ᧫࠹൤ʾவ1 mmԣ2 mmܫܦฉᮠ៨
1500 图 5 电流脉冲频率和声波频率对比
ᡰ᧫࠹1 mm
ᡰ᧫࠹2 mm Fig. 5 Comparison of frequency of current pulse
1000
and sound wave
500
3.3 不同方向的声波特性
ܦԍ/Pa 0 为了探究声波在不同方向上的时频特性，在距

-500 离针尖 1 mm 和 2 mm 处各选取 3 个不同方位的点
作出其声波时域和频域图形。其中 A 1 、A 2 、A 3 距离
-1000
针尖 1 mm；B 1 、B 2 、B 3 距离针尖 2 mm。其具体位
-1500 置见图6。
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
௑ᫎ/µs 各点的时域和频域波形图如图 7 所示，从图中
可以看出，在针尖正下方处的 A 1 、B 1 点声压大小远
图 4 针尖正下方 1 mm 与 2 mm 处声压
Fig. 4 Sound pressure at 1 mm and 2 mm directly 大于在另外 4 个点处的声压，这是因为针尖正下方
below the needle tip 的局部场强更高，带电粒子密度更大，粒子反应更