ACOUSTIC RADIATION OF CHARGED DROPLETS OSCILLATING IN THE SUPERPOSITION OF GRAVITATIONAL AND ELECTROSTATIC FIELDS

A. I. GRIGOR’EV; Григорьев А. И.; N. YU. KOLBNEVA; Колбнева Н. Ю.; S. O. SHIRYAEVA; Ширяева С. О.

doi:10.31857/S002329122260047X

ACOUSTIC RADIATION OF CHARGED DROPLETS OSCILLATING IN THE SUPERPOSITION OF GRAVITATIONAL AND ELECTROSTATIC FIELDS

Authors: GRIGOR’EV A.I.¹, KOLBNEVA N.Y.², SHIRYAEVA S.O.²
Affiliations:
1. Ishlinsky Institute for Problems in Mechanics, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia.
2. Demidov Yaroslavl State University, Yaroslavl, Russia
Issue: Vol 85, No 1 (2023)
Pages: 3-18
Section: Articles
URL: https://journals.rcsi.science/0023-2912/article/view/137194
DOI: https://doi.org/10.31857/S002329122260047X
EDN: https://elibrary.ru/KENCQR
ID: 137194

Cite item

Full Text

Open Access
Restricted Access

Access granted
Restricted Access

Subscription Access

Abstract
About the authors
References
Supplementary files
Statistics

Abstract

The intensity of acoustic radiation and the characteristic widths (depending on the radii and charges of the drops) of the frequency ranges in which the radiation falls have been calculated for charged droplets of convective clouds and near-ground fogs, which are immobile in the superposition of gravitational and electric fields. The calculations have been carried out using the methods of classical mathematical physics taking into account two small parameters: the dimensionless oscillation amplitude and the equilibrium spheroidal deformation of a charged droplet in an external electrostatic field. All calculations have been performed using the model of an ideal incompressible electroconducting liquid. It has turned out that the acoustic radiation from clouds and fogs occurs in the ultrasonic frequency range, while the acoustic radiation of large rain-drops is in the acoustic range audible to the human ear. The boundary between the ultrasonic and sonic radiations is determined by droplet sizes, electric field strengths (in a small vicinity of the droplets), and the values of interfacial tension coefficient.

Keywords

заряд, осциллирующая капля, электростатическое поле, акустическое излучение

References

Калечиц В.И., Нахутин И.Е., Полуэктов П.П. О возможном механизме радиоизлучения конвективных облаков // ДАН СССР. 1982. Т. 262. № 6. С. 1344–1347.
Григорьев А.И., Колбнева Н.Ю., Ширяева С.О. Дипольное электромагнитное излучение заряженной капли, осциллирующей в однородном электростатическом поле // Изв. РАН. Серия МЖГ. 2018. № 2. С. 62–76.
Григорьев А.И., Гаибов А.Р. Об излучении звука при осцилляциях заряженной капли // ЖТФ. 2001. № 11. С. 6–11.
Григорьев А.И., Колбнева Н.Ю., Ширяева С.О. Об акустическом излучении слабо заряженных капель, осциллирующих во внешнем однородном электростатическом поле // Изв. РАН. Серия МЖГ. 2022. № 5. С. 80–93.
Rayleigh. On the equilibrium of liquid conducting masses charged with electricity // Phil. Mag. 1882. V. 14. P. 184–186.
Липсон Г. Великие эксперименты в физике. М: Мир, 1972. 218 с.
Duft D., Lebbeus H., Huber B.A. Shape oscillations and stability of charged microdroplets // Phys. Rev. Lett. 2002. V. 89. № 8. P. 1–4.
Fong Chee Sheng, Black N.D., Kiefer P.A., Shaw R.A. An experiment on the Rayleigh instability of charged liquid drops // Am. J. Phys. 2007. V. 75. № 6. P. 499–503.
O’Konski C.J., Thacher H.C. The distortion of aerosol droplets by an electric field // J. Phys. Chem. 1953. V. 57. P. 955–958.
Торза С., Кокс Р., Мейсон С. Электродинамическая деформация и разрыв капель // В сб.: Реология суспензий. М.: Мир, 1975. С. 347–350.
Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Электродинамика сплошных сред. М.: Наука, 1957. 532 с.
Григорьев А.И., Ширяева С.О., Белавина Е.И. Равновесная форма заряженной капли в электрическом и гравитационном полях // ЖТФ. 1989. Т. 59. № 6. С. 27–34.
Taylor G.I. Disintegration of water drops in an electric field // Proc. Roy. Soc., London. 1964. V. A280. P. 383–397.
Френкель Я.И. К теории Тонкса о разрыве поверхности жидкости постоянным электрическим полем в вакууме // ЖЭТФ. 1936. Т. 6. № 4. С. 348–350.
Стерлядкин В.В. Натурные измерения колебаний капель осадков // Изв. АН СССР. Сер. ФАО. 1988. Т. 24. № 6. С. 613–621.
Beard K.V., Tokay A. A field study of small raindrop oscillations // Geophysical Research Letters. 1991. V. 18. № 12. P. 2257–2260.
Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. М.: Наука, 1986. 733 с.
Найфе А.Х. Методы возмущений. М.: Мир, 1976. 455 с.
Абрамовиц М., Стиган И. Справочник по специальным функциям. М.: Наука. 1979. 830 с.
Ausman E.L., Brook M. Distortion and disintegration of water drops in strong electric fields // J. Geophys. Res. 1967, V. 72. № 24. P. 6131–6135.
Jones D.M. The shape of raindrops // J. Meteorology. 1959. V. 16. № 5. P. 504–510.
Pruppacher H.R., Piter R.L. A semi-empirical determination of the shape of cloud and rain drop // J. Atm. Sci. 1971. V. 28. № 1. P. 86–94.
Григорьев А.И., Ширяева С.О. Критические условия неустойчивости сплюснутой сфероидальной сильно заряженной капли // ЖТФ. 1999. Т. 69. № 7. С. 10–14.
Щекин А.К., Варшавский В.Б. Равновесная форма, химический потенциал и работа образования диэлектрической капли в электрическом поле диполя ядра конденсации // Коллоидный журнал. 1996. Т. 58. № 4. С. 564–571.
Варшалович Д.А., Москалев А.Н., Херсонский В.К. Квантовая теория углового момента. Л.: Наука, 1975. 436 с.
Градштейн И.С., Рыжик И.М. Таблицы интегралов, сумм, рядов и произведений. М.: Наука, 1963. 1108 с.
Григорьев А.И., Ширяева С.О. Критерий неустойчивости заряженной капли в электростатическом подвесе // ЭОМ. 2015. Т. 51. № 3. С. 44–50.
Лепендин Л.Ф. Акустика. М.: Высшая школа, 1978. 448 с.
Мазин И.П., Хргиан А.Х., Имянитов И.М. Облака и облачная атмосфера. Справочник. Л.: Гидрометеоиздат, 1989. 647 с.
Мазин И.П., Шметер С.М. Облака. Строение и физика образования. Л.: Гидрометеоиздат, 1983. 280 с.
Тверской П.Н. Курс метеорологии. Физика атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1962. 700 с.
Грин Х., Лейн В. Аэрозоли – пыли, дымы и туманы. Л.: Изд. Химия, 1969. 428 с.