团队硕士生冯楚尧Applied Acoustics：通过超声信号和臭氧产生量表征空气中的针-环直流电晕放电

电晕放电是不均匀电场中相对稳定的局部自持放电，通常伴随着一些声波、光晕、电磁波、气体反应等现象，在科学和工程领域有着广泛的应用价值。由于电晕的相对稳定状态易受干扰，现有的对电晕声波的应用研究存在不可避免地受不同极性和阶段的影响，大多数研究通过时域电流波形或现场图像观察来表征电晕放电状态。然而，很少有人关注代表电晕过程的阶段转变和其他物理量的变化及其相关性。

2025年4月29日，《Applied Acoustics》杂志线上发表了课题组的最新成果：Characterizing the pin-to-ring direct-current air corona discharge by its ultrasonic signal and ozone production (https://doi.org/10.1016/j.apacoust.2025.110738)。该工作由松山湖材料实验室田恩泽副研究员、联培硕士生冯楚尧（南京大学）、联培硕士生张润（华南师范大学），联合南京大学邹欣晔教授以及浙江钱塘基础科学研究院刘科海副教授、郑跃滨博士等在针-环电极上进行了直流电晕特性实验，以比较物理结构、材料及表面形态变化引起的电声响应。定义了超声信号功率（USP）和臭氧增量在电晕阶段的转变过程中存在明显的对应关系，对直流点电晕中对应于放电过程中带电粒子密度的空间分布与放电状态进行了表征。

【内容介绍】

在电晕放电过程中，总是存在一定的频率和强度的声波，声波不仅可以提供实时放电信息，还可以作为一种非接触式监测方法来评估电晕放电的状态。在这项工作中，作者在空气中使用针-环电极结构进行了直流电晕放电实验。考虑到电晕在空气中比稀有气体更不稳定，收集并平均了不同实验参数下从起始电压到击穿电压的多组电晕放电数据。比较了不同电压下放电产生的超声信号功率（USP）和臭氧产量（ΔO₃）。分析了各种因素（包括气流速度、电极结构、尖端材料、曲率半径和表面形态）引起的电声响应和臭氧产生速率的差异。此外，理论上应用不同放电区域中正离子、负离子和电子密度的空间分布之间的关系来解释电晕阶段的变化。

图1. 直流点电晕声学实验平台及针、环电极结构尺寸

该工作研究了直流电晕放电中超声波和臭氧的产生。创新地提出了超声波信号功率作为电晕放电的声学特性，即50-200 kHz高频带内的信号功率，此频段不受电场自持周期性扰动的影响。如图2所示，首先电流-电压特性遵循简单的经验汤森关系I=AV（V-V₀）。在高压下，正电晕中50-200kHz的USP比负电晕中的USP高一个数量级以上。ΔO₃和USP曲线在起始流光期间有明显的斜率变化，而电流曲线在整个过程中是一致的。这种相关性有助于在复杂的放电情况下观察单个电晕源的放电状态，而在多点放电中，电晕电流流入总电路电流，使得单独观察电信号变得困难。

图2. 正负电晕放电的（a）放电电流、（b）臭氧产生量和（c）超声波信号功率随电压变化曲线。（d-g）电晕放电在起始脉冲、辉光、流光和临击穿阶段的图像。

电极材料主要通过功函数和表面催化活性影响放电特性，例如常用的高功函数材料钨，需要高场强才能发射电子，导致起晕电压高，但放电稳定性更好。电极材料选取材料纯钨、镀金钨、纯镍、单晶硅、石墨，分别对应：典型的放电金属导体、金属表面改性、易氧化金属、半导体、非金属导体。

图3.（a-c） 不同材料在正电晕放电中的USP-ΔO₃关系。不同（d）电极间距L、（e）环电极内径D和（f）空气流速V下正电晕放电的USP-ΔO₃曲线。

局部电场强度由针尖曲率半径决定，近似为𝐸∝1/𝜌，小曲率半径电极尖端造成强电离，促进流注产生，同时提高瞬时电流密度，但易引发火花放电，大曲率半径下的放电以辉光模式为主，更加稳定，针尖在光镜下如图4b-d所示；而电极老化、污染、氧化层形成，增加表面电阻，降低放电效率，需更高维持电压原有的电离电场，因此变量均呈衰减趋势；电极表面的粗糙度增加，如微观凸起、毛刺、颗粒物等引发局部场增强，产生微放电通道，导致变量测量的波动性，可能诱发随机脉冲放电，也可能造成声波信号功率频谱出现额外的高频噪声，电极形貌在电镜下如图4f-h所示。

图4. （a）不同针尖曲率在正电晕放电中的USP-ΔO₃关系和（b-d）针尖图像。（e）电极表面形貌在正电晕放电中的USP-ΔO₃曲线和（f-h）电极图像。

对于正电晕放电，初始电离提供了大量具有动量的正离子，正电晕放电中的声波主要由力源项驱动，力源项由正离子的动量决定。另一方面，电离产生的高速电子的密度直接影响氧自由基的密度，从而决定产生的臭氧量，USP以表示空间中正离子密度的变化，而测量臭氧的量以表示空间内电子密度的变化。在正电晕放电中，USP和ΔO3之间总是呈正相关。该工作论证了正电晕放电中的大多数正离子和电子都来自初始电离。在外界条件不变的情况下，调节电压对应于电晕内电离区域的变化，调节初始电离产生的电子密度，USP与ΔO₃之间始终存在正相关关系。

图5. 放电中（a）声源分布和（b）臭氧产生的示意图。

【成果小结】

该工作验证了超声波功率与臭氧产量之间的相关性。选择两个具有代表性的物理量USP和ΔO₃来分析电晕放电。研究超声频带中的信号有效地避免了弱电离气体引起的自持周期性扰动的影响。在针-环电极上进行了直流电晕实验，以比较物理结构、材料及表面形态变化引起的电声响应。在这项工作中，在非稳态流光的起始阶段，USP和ΔO₃之间存在明显相关的跳变，对应电晕放电中束状流光向伞状辉光的转变；另外，该工作描述等离子体声源模型和O₃的化学反应过程，分析正电晕初始电离中正负离子的分布，正电晕中的USP远高于负电晕，更适合监测电晕阶段的转变。这是由于正电晕放电中的声波主要由正离子动量决定的力源项驱动，而变量之间的正相关则是源于针-环结构漂移区正负离子之间的电荷平衡。

基于紫外光谱的臭氧检测仪器通常过于笨重和昂贵。使用电流信号进行检测受到臭氧源预测精度不足的限制。然而，受USP-ΔO₃相关性启发的声学监测方法具有非接触、方便、准确监测的独特价值。本研究的创新之处在于揭示了正电晕放电中超声波与臭氧生成之间的物理本质关系，为预测臭氧生成提供了新的理论依据和技术方法。这项工作有助于从新的角度理解电晕放电过程中的变量控制，如声压梯度对电子迁移率的调制效应，并有利于指导臭氧、等离子体声波、静电设备污染控制和声定位方法的声传感器的研发。

本文引用格式

Feng CY, Zheng YB, Zhang R, Tian EZ*, Zou XY, Liu KH. Characterizing the pin-to-ring direct-current air corona discharge by its ultrasonic signal and ozone production. Applied Acoustics, 2025, 237, 110738. https://doi.org/10.1016/j.apacoust.2025.110738

该工作受到国家自然科学基金-青年基金项目（52408122）、广东省基础与应用基础研究基金联合基金-青年基金项目（2022A1515110897）资助，特此致谢。