О частотном спектре звуковых колебаний, излучаемых объемами цилиндрической геометрии с разрядом униполярного пробоя газа

Школа по плазмохимии для молодых ученых России и стран СНГ

Герасимов А.И.

ellips@kmtn.ru

Научно-производственное предприятие “Костромская медтехника”

Использование объемов с безэлектродным разрядом униполярного пробоя газа (УПГ) при анализе чистоты водных стоков [1] и исследовании жидких проводящих растворов [2] основано на свойстве поверхности этих объемов излучать [3,4] широкий спектр частот электромагнитных колебаний. Однако на биологические объекты [5], содержащие водные растворы с различными компанентами, воздействие оказывает не только электромагнитное излучение разряда, - одновременно с ним поверхность объемов УПГ является и источником сильных звуковых и ультразвуковых колебаний. Их частотный диапазон определяется параметрами возбуждения разряда: давлением газа , амплитудой и длительностью импульсного потенциала на единственном цилиндрическом покрытие-электроде (ПЭ), размещаемом на одном из концов внешней поверхности длинных (>4м) трубок с разреженным газом, их радиусом , а также геметрией и размерами ПЭ.

Зависимось возбуждаемых акустических частот от давления газа (в приборах и экспериментах используется в основном воздух) проявлялась в изменении геометрии области свечения (ОС) под поверхностью ПЭ: ее пространственная локализация и размеры определяли направление смещения молекул газа относительно внутренней стенки трубки.

Оптические наблюдения через торцевую прозрачную стенку трубки, проведенные одновременно с акустическими измерениями пьезодатчиками, показали, что в диапазоне больших давлений (для существования разряда УПГ) и при наличиии на ПЭ импульсов высоковольтного потенциала любой полярности, , ОС газа в сечении трубки имела кольцевую геометрию. При поступлении на ПЭ единичного импульса газовая среда внутри объема под ПЭ смещалась в радиальном направлении от стенки, к границе светящейся области. Полупериод колебаний, регистрируемых пьезодатчиком (ПД), соответствовал прохождению звуковой волны на расстояние, отделяющее внешнюю границу кольцевой области свечения от стенки трубки. В целом же частотный спектр возбуждаемых радиальных колебаний (ультразвукового диапазона), задаваемый давлением газа , определялся выражением , ( — радиальное удаление центральной, наиболее интенсивной по излучению, кольцевой области свечения, - скорость звука в газе при его температуре; - n-ый корень производной функции Бесселя m-го порядка.

При уменьшении и при наличии на цилиндрическом ПЭ импульсного потенциала отрицательной полярности одновременно с уменьшением частота возбуждаемых в газе колебаний увеличивается до занятия свечением в сечении трубки максимальной площади (круга). С этого момента происходит скачкообразная смена частот, - они начинают определяться уже через , где - радиус приосевой области свечения. Например, длительность переднего фронта импульса НЧ колебаний, регистрируемых пьезодатчиками (=1.58 кГц), и равная 20 мкс, соответствовала времени прохождения звуковой волны на расстояние от внутренней поверхности стенки трубки до границы светящейся области в ее осевой части: = / = (-)/.

Исследования показали также, что смена полярности соседних периодов 2-х полупериодного импульсного потенциала на ПЭ приводила или к уменьшению амплитуды колебаний, регистрируемых ПД, или к их полному гашению. При достаточно большой амплитуде импульсного потенциала и большой площади цилиндрического ПЭ в спектре возбуждаемых колебаний появлялись частоты, кратные длине ПЭ и длине разрядной трубки (если она не превыщала 1-1.5 м).

Возможность появления резонансных колебаний определялась первоначальной интенсивностью возбуждаемых колебаний, которая, в свою очередь, задавалась амплитудой импульсов потенциала на ПЭ и их длительностью. При этом колебания резонансных частот, имеющих большую амплитуду, модулировали более слабые звуковые колебания с частотами, появление которых обусловлено условиями их возбуждения - геометрией ПЭ и давлением газа.

При поступлении импульсного потенциала на металлические электроды-зкраны, полностью закрывающие объемы стеклянных трубок с разреженным газом, ПД фиксирует только один период колебаний в газовой среде. Половина длительности этого периода соответствует времени прохождения звуковой волной расстояния от внутренней поверхности стенки трубки до границы круговой области свечения в сечении объема трубки под поверхностью ПЭ.

Литература

1.Gerasimov A.I.,Gerasimov I.V. Proc.II Intern. Congress " Water: Ecologia and Technologia " (ECWATEC - 96). Moscow. 1996.P.314.

2.Gerasimov A.I.,Gerasimov I.V.Proc.V Int.Conf.Phenom.Ion.Gases.Warsaw.Poland. 1999.

3.Герасимов И.В. Журн.техн.физики.1994.Т.65.С.30

4.Gerasimov A.I.,Gerasimov I.V. Proc. Int.Conf. TPP-5. St. Petersburg. 1998. New York. Begel Hause. V. PP.243-248.

5.Gerasimov I.V. Surface Eng. and Applied Electrochem.1993. 6.PP.54-56.