Ультразвук и динамические свойства магнитных жидкостей

Соколов, Виктор Васильевич

Ультразвук и динамические свойства магнитных жидкостей тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Соколов, Виктор Васильевич АВТОР

доктора физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Москва МЕСТО ЗАЩИТЫ

1997 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.14 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Ультразвук и динамические свойства магнитных жидкостей»

Автореферат диссертации на тему "Ультразвук и динамические свойства магнитных жидкостей"

МОСКОВСКИЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Соколов Виктор Васильевич

УЛЬТРАЗВУК И ДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАГНИТНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора физико - математических наук

Москва -1997

Работа выполнена да кафедре физики и в Проблемной лаборатории молекулярной акустики Московской государственной академии приборостроения и информатики

Официальные оппоненты:

доктор физико - математических наук,

профессор В.Г. Баштовой доктор физико - математических наук,

профессор A.C. Лагунов доктор физико - математических наук, профессор К.Б. Павлов

Ведущая организация - Институт механики Московского

государственного университета имени М.В. Ломоносова

Защита состоится " /у сил. 1997 г. в ' на заседании

специализированного Совета ДР 113.11.07 по присуждению ученой степени доктора физико - математических наук в Московском Педагогическом Университете по адресу: 107846, Москва, ул. Радио, д. 10 "А".

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МПУ.

Автореферат разослан "

_ 1997 г.

Ученый секретарь специализированного Совета

канд. физ - мат. наук, доцент

Д.Л. Богданов

Общая характеристика работы

Актуальность проблемы и направление исследований. Магнитные жидкости, синтезированные в середине 60-х годов, относятся к перспективным композиционным материалам. Благодаря своим уникальным свойствам, они имеют весьма широкий спектр применения: от приборостроения до медицины. Физика магнитных жидкостей, как междисциплинарная область, включает микро- и макроуровни физического описания. При статистическом описании динамических свойств магнитных жидкостей используется только одно-частичное приближение и при подходящем выборе функции распределения частиц по размерам удается описать экспериментальные результаты по магнитооптике и магнитной спектроскопии.

В физике магнитных жидкостей значительный интерес представляет проблема межчастичных взаимодействий и ряд связанных с ней вопросов: агрегирование частиц, характер магнитного упорядочения, типы релаксационных процессов. Методы физической акустики весьма чувствительны к структурным особенностям среды, исследования этими методами проводятся в объеме вещества, не нарушают его структуру и позволяют проследить динамику происходящих в веществе процессов, вызванных воздействием внешних полей, поэтому актуальность применения этих методов к изучению динамических свойств магнитных жидкостей несомненна. Другой аспект применения методов физической акустики определяется следующим. Континуальное описание магнитных жидкостей проводится в рамках феррогидродинамики - сравнительно новой области гидродинамики, возникшей именно благодаря синтезу магнитных жидкостей. Число континуальных моделей непроводящей магнитной жидкости, а именно такого типа жидкости наиболее широко используются в практике, весьма велико, и процесс разработки новых моделей продолжается. Этот факт указывает и на актуальность проблемы и на неудовлетворительность предложенных моделей, что обусловлено сложностью моделируемой среды, отсутствием четких критериев применимости моделей.

дований позволяют провести апробацию существующих различных уравнений феррогидродинамики уже в линейном приближении. Таг кое направление применения методов физической акустики представляется весьма важным, так как обеспечивает экспериментальную основу для построения континуальных моделей реологически сложных сред.

Настоящая работа, где изложены результаты экспериментальных и теоретических исследований, выполненных в 1982 - 1996 гг., отражает новое научное направление - физическая акустика магнитных жидкостей. Результаты, содержащиеся в диссертации, были получены при выполнении исследований в рамках комплексной научно-технической программы "Магнитные жидкости* МВОССО РСФСР на период до 1990 г. ив соответствии с Постановлением ГКНТ СССР N 485 от 14.11.1986, а также при выполнении плановых научно - исследовательских работ Московской государственной академии приборостроения и информатики Министерства общего и профессионального образования РФ.

Цель работы - изучение динамических свойств магнитных жидкостей методами физической акустики. Для этого были поставлены и решены следующие задачи:

изучение распространения ультразвуковых волн в ненамагничен-ных магнитных жидкостях на различной основе ;

исследование комплекса физических параметров магнитных жидкостей в условиях высокого давления (до 10®Па);

изучение кинетики намагничивания магнитных жидкостей акустическим методом;

исследование анизотропии акустических свойств магнитных жидкостей в постоянных магнитных полях;

разработка методов и проведение исследований электромагшггно - акустических (ЭМА) явлений ; создание континуальной модели магнитной жидкости. Решение этих задач было достигнуто благодаря проведению параллельно экспериментальных и теоретических исследований. Научная новизва работы состоит в следующем: Впервые экспериментально обнаружен релаксационный характер поглощения ультразвука в магнитных жидкостях и показано, что

наиболее вероятными каналами диссипации энергии ультразвука являются вязкостный, магнитодинамический и тепловой механизмы поглощения ультразвука. Магнитодинамический механизм отражает специфику магнитной жидкости, поскольку проявляется благодаря магнитным дипольным моментам частиц твердой фазы.

Создан новый метод измерения комплекса физических параметров магнитных жидкостей: скорости распространения и коэффициента поглощения ультразвуковых волн, плотности, эффективного коэффициента сдвиговой вязкости при высоких давлениях. Впервые получены экспериментальные данные о барической зависимости указанных параметров в магнитной жидкости на основе керосина с различным объемным содержанием частиц твердой фазы при вариации давления до 10® Па и температуры в диапазоне 293-333 К.

Предложен акустический метод изучения процессов структуро-образования в магнитных жидкостях в процессе намагничивания. Динамика роста агрегатов восстанавливалась по экспериментальным значениям временной зависимости коэффициента поглощения с помощью полученного выражения для коэффициента поглощения ультразвуковых волн, распространяющихся в магнитной жидкости с эллипсоидальными агрегатами.

Разработана методика измерения анизотропии скорости распространения и коэффициента поглощения ультразвуковых волн в намагниченных магнитных жидкостях, обеспечивающая получение воспроизводимых результатов. Впервые получены результаты по анизотропии акустических свойств в магнитных жидкостях на основе керосина, додекана и воды.

Получена новая система уравнений феррогидродинамики в приближении вмороженности намагниченности и предсказано существование новых гидродинамических мод: медленной магнитозвуковой волны и волны альфвеновского типа.

Развита теория распространения ультразвуковых волн в магнитной жидкости с вмороженной намагниченностью, позволившая описать имеющиеся экспериментальные результаты по анизотропии скорости ультразвука.

Разработаны физические основы электромагнитно - акустической спектроскопии магнитных жидкостей, позволившие установить вли-

яние состава и внешних условий на магнитострикционные свойства магнитных жидкостей, разработан метод оценки среднего размера частиц и метод измерения интенсивности ультразвука.

На защиту выносятся:

Результаты экспериментальных и теоретических исследований диссипации энергии ультразвука в ненамагниченных магнитных жидкостях.

Методика эксперимента и результаты изучения скорости распространения и коэффициента поглощения ультразвука, плотности, сдвиговой вязкости в условиях высокого давления.

Результаты экспериментальных и теоретических исследований кинетики намагничивания акустическим методом.

Методика измерения анизотропии акустических свойств магнитных жидкостей и соответствующий массив экспериментальных данных для магнитных жидкостей различного типа.

Континуальная модель магнитной жидкости с вмороженной намагниченностью и созданная на ее основе теория распространения ультразвуковых волн в магнитных жидкостях

Результаты исследований электромагнитно - акустических явлений, включая методы изучения прямого и обратного ЭМА преобразования, анализ ЭМА спектров.

Практическая ценность работы. Разработанные в диссертации экспериментальные методы изучения динамических свойств магнитных жидкостей с помощью ультразвука могут быть использованы в целях экспресс-анализа и диагностики качества магнитных жидкостей, а также могут составить физическую основу соответствующих приборов. Полученный массив экспериментальных данных по тепло физическим и кинетическим свойствам магнитных жидкостей в условиях высокого давления может быть использован в инженерных расчетах магнитожидкостных узлов и устройств, предназначенных для работы в условиях высокого давления, в частности, в расчетах гидроакустических антенн. Разработанные методики и результаты изучения ЭМА преобразования в магнитных жидкостях открывают новые возможности как в практике научных исследований, так и при разработке современных контрольно - измерительных приборов. Представленные в работе результаты по физическим свойствам маг-

нитожидкостного контакта, применяемого в ультразвуковой дефектоскопии, позволяют осуществить оптимальный выбор типа магнитных жидкостей при заданном рабочем диапазоне температур.

Апробация работы проводилась на международных и всесоюзных конференциях, семинарах в научных организациях страны, основными из которых являются следующие:Всесоюзная школа-семинар по магнитным жидкостям (Плес,1983), Всесоюзные конференции по физике магнитных явлений (Тула, 1983; Донецк, 1985; Калинин, 1988), Всесоюзные совещания по физике магнитных жидкостей (Ставрополь, 1986; Душанбе, 1988; Пермь, 1990), Всесоюзная научно-техническая конференция "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (Иваново, 1987), Рижские совещания по магнитной гидродинамике (Юрмала 1987, 1990), Международные конференции по магнитным жидкостям (Париж, 1992; Бхав-нагар, 1995), Международная конференция по нелинейной акустике (Берген, 1993), Международная коференция "Колебания и волны в экологии, технологических процессах и диагностике", (Минск,

1993) Конференция Американского акустического общества (1994), Международная акустическая конференция северных стран (Архус,

1994), Международная Рижская конференция по магнитной гидродинамике (Юрмала, 1995), 19 Международный конгресс по теоретической и прикладной механике (Киото, 1996), 7-я Международная Плесская конференция по магнитным жидкостям (Плес, 1996), а также на семинарах в ИОФ АНССР, Институте механики сплошных сред (Пермь), Институте механики МГУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 73 работы, в том числе 6 авторских свидетельств на изобретения.

Структура и объем диссертации Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Диссертация содержит 230 страниц, в том числе 23 таблицы, 57 рисунков, список литературы из 184 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, обоснована актуальность исследований, сформулировала цель работы и приведены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена акустической спектроскопии магнитных жидкостей, не подверженных воздействию внешних магнитных нолей. Проведенный обзор экспериментальных исследований позволил обосновать приоритет автора в изучении динамических свойств магнитных жидкостей методами акустической спектроскопии. Во втором разделе описаны экспериментальные результаты изучения распространения ультразвуковых волн в магнитных жидкостях на основе керосина и воды с различным объемным содержанием коллоидных частиц магнетита прн вариации температуры от 293 К до 333 К. Измерения скорости распространения и коэффициента поглощения ультразвука проводились импульсно-фазовым методом переменного расстояния при вариации частоты ультразвука в диапазоне 3-50 МГц. Погрешность измерения коэффициента поглощения составляла (7 - 12)%, скорости ультразвука -(0,3 - 0,5)%.

Скорость ультразвука с ростом концентрации магнетита уменьшается, поскольку она определяется балансом между инерционными и упругими свойствами среды. В слабоконцентрированных магнитных жидкостях частицы магнетита, покрытые стабилизирующей оболочкой, вызывают в основном изменение плотности, а на сжимаемость влияют мало, так что последняя близка к сжимаемости несущей жидкости. С увеличением концентраций межчастичное взаимодействие усиливается и поэтому предположение об аддитивности сжимаемости не выполняется. Температурная зависимость скорости определяется типом несущей жидкости. Так в магнитных жидкостях на основе керосина скорость ультразвука уменьшается с ростом температуры, а на основе воды - возрастает в изученном температурном интервале. Максимальная дисперсия скорости ультразвука Дс = 20 м/с была обнаружена в магнитной жидкости на основе керосина с объемным содержанием магнетита ц> ~ 22% при температуре 293 К. С ростом температуры Ас уменьшалась и при Т = 333 К отсутствовала в пределах точности измерений. Расширение частотного диапазона, по сравнению с предшествующими работами, позволило обнаружить релаксационный характер поглощения ультразвука во всех образцах изученных жидкостей. Увеличение температуры приводит к уменьшению вклада в поглощение за счет релаксационного механизма. В качестве примера на рис. 1 показана частотная зави-

симость поглощения ультразвука в магнитной жидкости на основе керосина (<р ~ 7%) при 293 К.

В разделе 1.3 дан анализ вязкостного механизма диссипации энергии ультразвука и установлена взаимосвязь между результатами теоретических исследований этого механизма рядом авторов. Проведено сравнение теоретических и экспериментальных результатов по частотной зависимости поглощения ультразвука и показано, что вязкостный механизм не описывает имеющиеся экспериментальные результаты во всем частотном диапазоне. В 0 I [ [ —-Г'МГц атой связи в разделе 1.4 рассмотрен ною а эо « 60 вый - магнитодинамический механизм дис-рис 1 сипации энергии ультразвука, специфич-

ный именно для магнитных жидкостей и обусловленный наличием связи между акустическими и магнитными спектрами поглощения. Ультразвуковая волна частоты /, распространяющаяся в магнитной жидкости, приводит в движение магнитные диполи, в результате в жидкости возбуждается переменное магнитное поле той же частоты. Поскольку мнимая часть магнитной восприимчивости магнитной жидкости отлична от нуля, то энергия переменного магнитного поля преобразуется в тепловую. Оценка средней диссипируемой мощности была получена с помощью флуктуахщонно - диссипационной теоремы в предположении, что система магнитных диполей обладает эффективной частотой релаксации /г. Искомое поглощение определяется выражением

(а\ Л* а - Збтг'хУМ? , .

^'ТЩ7' —т— (1)

В 1.5 выполнен анализ акустических спектров поглощения ультразвука и показано,что экспериментальные данные по частотной зависимости добавочного коэффициента поглощения ультразвука удовлетворительно описываются тремя механизмами диссипации

400-

203'

энергии ультразвука: вязкостным, машитодинамическим и тепловым. На рис.1 показан вклад каждого механизма диссипации: кривая 1 соответствует вязкостному, 2 - магнитодинамическому, 3 -сумме вязкостного и теплового механизмов. Кривая 4 представляет рассчитанное значение добавочного поглощения. Подобный расчет проведен для всех образцов магнитных жидкостей на основе керосина с <р < 10% и в результате получено, что частота релаксации /г в изученных образцах находится в диапазоне от 6 до 22 МГц, средний

радиус частиц магнетита колеблется в пределах от 40 до 70 А. Аналогичные расчеты были выполнены и для магнитных жидкостей на основе вод ы, причем вклад теплового механизма диссипации энергии ультразвука оказался пренебрежимо мал.

Во второй главе рассмотрены термодинамические и кинетические свойства магнитных жидкостей при высоких давлениях. Изучение поведения магнитных жидкостей в условиях высокого давления до настоящего времени не проводилось другими исследователями. Актуальность исследования влияния высокого давления на те-плофизические и кинетические свойства магнитных жидкостей обусловлена не только чисто научными интересами, но и запросами практики,что связано с постоянно расширяющимися областями использования магнитных жидкостей. В разделе 2.1 описаны методики измерения комплекса физических параметров и экспериментальная установка, в основу которой был положен модульный принцип. Использовалось два сменных модуля - акустический и вязко-пъезометрический. Такой подход дал возможность более тщательно методически проработать каждый измерительный модуль и добиться высокой надежности эксперимента. В основу конструкции акустического модуля был положен метод двух фиксированных расстояний с использованием одного пьезопреобразователя и двух отражателей, снабженных юстировочными винтами. Модуль для измерений вязкости и плотности был выполнен в виде цилиндрического вискозиметра из латуни, к нижнему концу которого приварен латунный сильфон со штоком. В канал вискозиметра помещался поршень. В верхней части модуля располагался электроввод с пьезопреобразовагелем. В модуле реализован метод "сильфона" Бриджмена для измерений плотности жидкости и метод падающего груза Лаватчика для из-

мерений вязкости. Причем, как линейные перемещения сильфона, так и скорость падения поршня измерялись с помощью зондирующих ультразвуковых импульсов. Измерения плотности и сдвиговой вязкости проводили в камере высокого давления, в которую помещался измерительный модуль. Для измерений скорости и коэффициента поглощения акустический модуль вставлялся в канал вискозиметра вместо поршня. В этом разделе приводится также подробное описание электронной части установки и методики измерения исследуемых параметров. Максимальная относительная ошибка измерения скорости распространения ультразвука составляла 0,3 %, коэффициента поглощения - 10 %, плотности - 0,6 %, сдвиговой вязкости - 2 %. Измерения указанного выше комплекса параметров для пяти образцов магнитной жидкости на основе керосина выполнялись при вариации давления с шагом в 10 МПа до 100 МПа по изотермам 293; 303; 313; 323; 333 К. Частота ультразвука была равна 7, 24 МГц. В разделе 2.2 приводится анализ влияния давления на термодинамические свойства магнитных жидкостей. Установлено, что скорость ультразвука нелинейно возрастает с давлением, причем эта нелинейность в большей степени проявляется при низких давлениях, что , по-видимому связано с более рыхлой структурой керосина при малых сжатиях. Коэффициент (дЪ.с/дР)т для керосина монотонно уменьшается с ростом давления от 4,5 • Ю-9 Па-1 до 2 • 10~3 Па-1 и весьма слабо зависит от температуры. Температурный коэффициент скорости ультразвука (дЫс/дТ)р также уменьшается с ростом давления: от 3,14- Ю-3 К'1 при 0,1 МПа до 1,69- Ю-3 К~х при 100 МПа. Полученные экспериментальные данные по плотности были аппроксимированы уравнением Тейта, которое описывает функциональную зависимость плотности от давления в изотермических условиях и имеет вид

ро В+Р0 '

Здесь через А я В обозначены эмпирические постоянные, индекс "0я относится к величинам, взятым при атмосферном давлении. В результате обработки экспериментальных данных было установлено, что константа А во всех исследованных жидкостях, включая керосин, одинакова и равна 0,1003. С помощью уравнения Тейта бы-

ли расчитаны изотермическая сжимаемость, коэффициент теплового расширения и уставлено, что с ростом давления эти параметры нелинейно убывают. Экспериментальные данные по скорости и плотности были использованы для определения адиабатической сжимаемости. В изученном интервале давлений изотермическая и адиабатическая сжимаемости уменьшаются почти в два раза. Выполнен также расчет отношения теплоемкостей у = Ср/Су, в результате обнаружено, что в магнитной жидкости с ~ 9%, величина 7 монотонно растет с увеличением давления, а во всех остальных, в том числе и в керосине, уменьшается. В разделе 2.3 приведен расчет нелинейных акустических параметров изученных магнитных жидкостей и показано, что повышение концентрации твердой фазы приводит к росту нелинейной упругости магнитной жидкости. В разделе 2.4 рассматривается влияние высокого давления на кинетические свойства магнитных жидкостей. Показано, что экспериментальные зависимости коэффициента сдвиговой вязкости для всех изобар описываются с точностью ~ 5% соотношением

и = С„ех(3)

где Еп- энергия активации вязкого течения, ¿^-коэффициент, зависящий от концентрации и давления. Установлено, что энергия активации возрастает при увеличении давления, но при давлениях свыше 40—50 МПа эта зависимость проявляется более слабо. Возможной причиной такого поведения энергии активации является изменение в структуре магнитной жидкости за счет более плотной упаковки молекул и частиц. На рис. 2 приведены зависимости коэффициента эффективной сдвиговой вязкости в магнитных жидкостях (1 - ~ 9%; 2 - ~ 3%) и керосине (кривая 3) при постоянной температуре 303 К. Сплошные линии на этом рисунке отражают результат аппроксимации экспериментальных данных соотношением (3).

• I ■ I < I > I • I

20 40 60 Ю 100

Рис. 2.

Другим кинетическим параметром, который изучался в работе, являлся коэффициент поглощения ультразвука. Обнаружено, что при квазистационарном переходе с одного уровня давления на другой значение скорости ультразвука остается постоянным с момента фиксации давления, в то время как коэффициент поглощения в течение нескольких минут релаксировал к стационарному значению. Этот процесс проявлялся при давлении меньше 40МПа. Во всех изученных образцах увеличение давления вызывало уменьшение коэффициента поглощения. На зависимости коэффициента поглощения ультразвука от давления можно выделить три характерные области. При Р < 20 МПа поглощение относительно резко уменьшается с дат влением, потом идет область, где поглощение весьма слабо зависит от давления при 20 МПА < Р < Ртах ■ Верхняя граница Ртах зависит от объемного содержания магнетита и уменьшается с ростом концентрации твердой фазы. При давлениях Р > Ртах поглощения опять уменьшается с ростом давления.

Полученные экспериментальные результаты по плотности, скорости ультразвука и сдвиговой вязкости позволили выяснить зависимость от давления классического поглощения ультразвука, которое описывает диссипацию энергии ультразвуковой волны только за счет сдвиговой вязкости. Показано, что в слабоконцентрированных жидкостях классическое поглощение остается постоянным, что отражает своеобразный баланс между упругими и вязкими свойствами. Возможно этот баланс является проявлением дырочной природы сдвиговой вязкости и упругости жидкости, которые одинаково возрастают с захлопыванием дырок.

Третья глава содержит результаты исследований акустических свойств магнитных жидкостей, находящихся под воздействием внешних магнитных полей. В разделе 3.1 приведен обзор экспериментальных исследований по изучению влияния магнитного поля на акустические свойства магнитных жидкостей, в котором показано отсутствие систематических исследований анизотропии акустических свойств намагниченных магнитных жидкостей. Экспериментальные результаты, приводимые различными исследователями, являются противоречивыми, что с нашей точки зрения объясняется неадекватностью экспериментальных методов решаемой задачи. В разделе

3.2 описан экспериментальный метод исследования кинетики струк-турообразования в магнитных жидкостях, основанный на измерении временной зависимости коэффициента поглощения ультразвука в магнитной жидкости, находящейся под воздействием магнитного поля. Приведено описание экспериментальной установки, обеспечивающей запись амплитуды зондирующего импульса, прошедшего через исследуемую жидкость в процессе ее намагничивания. Особенность экспериментальной установки состояла в исключении влияния отраженных сигналов за счет установки блока стробиро-вания на вход приемника, благодаря этому регистрировался только первый зондирующий импульс. Кроме того, в приемнике применялось устройство компенсации, предназначевшееся для выделения изменяющейся части сигнала. В разделе 3.3 приведено обощение механизма вязкостного поглощения для магнитной жидкости, частицы которой образуют во внешнем постоянном магнитном поле агрегаты в форме вытянутых эллипсоидов вращения, при этом учитывалась сила отталкивания дипольной природы между соседними агрегатами, находящимися на расстоянии I друг от друга. Полагалось, что эллипсоидальные агрегаты имеют одинаковый размер при фиксированном значении напряженности внешнего магнитного поля, величина которого достаточно велика, так что длинные оси эллипсоидов ориентированы вдоль направления магнитного поля. В результате для коэффициента поглощения ультразвуковой волны, распространяющейся под углом # к направлению магнитного поля в магнитной жид кости с эллипсоидальными агрегатами, получено следующее выражение

где

г = I +1 (6/Ь) 5 = | (6/Ъ) К3 (1 + (1/*)) (б/а) К1,

6 = \f2rjfpfU}, к = б/^ор2/**5» Р — ^М,жа3Ь

Угловая зависимость инерционного коэффициента входящего в выражение для присоединенной массы, определялась из соображений симметрии соотношением L — Хц cos 2t? L± sin 2t?. Аналогичная угловая зависимость была использована и для коэффициента трения К. Коэффициенты L, К являются известными функциями размеров малой а и большой Ь полуосей эллипсоида. Отметим, что при равенстве плотностей агрегата р„ и несущей жидкости р/ поглощение, как следует из соотношения (4) отлично от нуля, поскольку из-за дшюльного взаимодействия агрегатов нх колебательная скорость в ультразвуковой волне отличается от колебательной скорости частиц жидкости. Экспериментально такая ситуация может иметь место в эмульсии на основе магнитной жидкости. В другом предельном случае, т.е. при отсутствии диполь - дшюльного взаимодействия, выражение (4) в точности совпадает с известными результатами.

С помощью соотношения (4) была восстановлена кинетика роста агрегатов в магнитной жидкости на основе додекана и показано, что экспериментальная временная зависимость поглощения обусловлена линейной временной зависимостью роста агрегатов, причем радиус малой оси эллипсоидального агрегата остается постоянным.

Следует отметить, что описанные экспериментальная установка и теоретическая модель распространения ультразвука в магнитных жидкостях с эллипсоидальными агрегатами могут быть использованы для автоматизированного контроля качества магнитных жидкостей.

В разделе 3.4 описана методика и техника эксперимента по определению анизотропия акустических свойств магнитных жидкостей в постоянном стационарном магнитном поле и приведены соответствующие экспериментальные результаты. В 3.4.1 дано описание экспериментальной установки. Среда известных методов измерения относительного изменения скорости ультразвука наиболее высокую точность имеет фазово - импульсный метод переменной частоты, обеспечивающий измерение относительного изменения скорости ультразвука порядка 10~8. Именно этот метод и был использован в наших исследованиях анизотропии акустических свойств магнитных жидкостей, находящихся под воздействием стационарных однородных магнитных полей. Основ-

ная проблема, возникшая при измерении анизотропии акустических свойств магнитных жидкостей, состояла в определении условий эксперимента, обеспечивающих воспроизводимость результатов.

зависимости анизотропии акустических свойств магнитных жидкостей от времени выдержки в магнитном поле. На рис. 3 представлена угловая зависмость скорости ультразвука в магнитной жидкости на основе додекана, величина А определяет относительное изменение скорости ультразвука и определяется как Д(т?) = (ф?) — сх)/сх, где сх - скорость ультразвука при ортогональной ориентации волнового вектора ультразвуковой волны и направления магнитного поля. Данные, обозначенные прямоугольниками, соответствуют 120 часовой экспозиции в магнитном ноле с индукцией 0,27 Тл, а обозначенные кружком ~ 200 часовой, причем последующая выдержка в поле не вызывала изменений этих данных. В магнитной жидкости на основе воды анизотропия имеет другой характер, что иллюстрирует рис. 4. Обобщение экпериментальных данных позволило выделить четыре типа угловой зависимости скорости ультразвука Д(0): 1) скорость достигает максимума при параллельной ориентации волнового вектора и направления магнитного поля, а минимума - при ортогональной; 2) скорость достигает максимума также при параллельной ориентации волнового вектора и направления магнитного поля, но минимума - при ориентации , отличной от ортогональной;

30 Л-101

Рис. 3.

В процессе намагничивания магнитная жидкость испытывает многообразные структурные изменения, время установления которых велико, поскольку определяется диффузионными процессами. Эта особенность магнитных жидкостей была учтена нами тем, что магнитное поле создавалось с помощью постоянного магнита, поскольку время выдержки образца магнитной жидкости в поле, обеспечивающее достижение воспроизводимости экспериментальных результатов, составляло десятки - сотни часов и определялось концентрацией коллоидных частиц. В разделе 3.4.2 представлены соответствующие

3) скорость имеет максимум при некоторой ориентации, отличной от параллельной и ортогональной; 4) скорость достигает максимума при ортогональной, а минимума - при параллельной ориентации.

Четвертая глава содержит теоретическое обобщение экспериментальных исследований, состоящее в разработке новой континуальной модели магнитной жидкости. В разделе 4.1 дал обзор теоретических исследований по распространению ультразвука в рамках континуальных моделей магнитных жидкостей. Поскольку число таких моделей весьма велико, то были рассмотрены только те, в рамках которых проводилось изучение распространения ультразвука. Показано, что выполненные к настоящему времени теоретические исследования не дают решения проблемы, связанной с описанием экспериментально наблюдаемой анизотропии акустических свойств магнитных жидкостей. В разделе 4.2 описан вывод новых уравнений феррогидродинамики, основанный на обобщенном физическом принципе виртуальных работ В.В. Толмачева, математическая формулировка которого дается следующим вариационным уравнением равновесия

6 (и - ?Ь5 + р0У + И7) = ¡р (Л • **«) ЛУ + / (Я • 6*ф) ¿о (5)

■4.0

Рис. 4.

для ограниченного объема магнитной жидкости, на которую действуют объемные силы с объемной плотнстью р / и поверхностные силы с поверхностной плотностью Г. Уравнение (5) справедливо при произвольных виртуальных смещениях 6*$ из положения равновесия (символ <5* означает лагранжеву вариацию). Внутренняя энергия и,энтропия в и энергия магнитного поля V/ относятся к V к объему магнитной жидкости, ограниченному поверхностью Е. Удельная внутренняя энергия и магнитной жидкости предполагалась известной функцией плотности жидкости р, удельной энтропии з и компонент вектора удельной плотности намагниченности т,-. В

результате применения указанного принципа к магнитной жидкости с равновесной намагниченностью были получены известные уравнения феррогидродинамики Нойрингера - Розенцвейга, которые описывают магнитную жидкость в предположении, что время релаксации намагниченности равно нулю. Другой предельный случай, отвечающий бесконечно большому времени релаксации намагниченности, до настоящего времени не был исследован. В разделе 4.2.2 этот случай детально изучен с использованием концепции вмороженно-сти намагниченности в вещество магнитной жидкости. В результате последовательного применения обобщенного физического принципа виртуальных работ получена следующая новая система уравнений феррогидродинамики для идеальной непроводящей магнитной жидкости с вмороженной намагниченностью:

В разделе 4.3 исследовано линейное приближение системы (6) и показано, что гидродинамическими модами магнитной жидкости с вмороженной намагниченностью являются быстрая, медленная магнито-звуковые волны и волна альфвеновского типа, в которой колеблется намагниченность. Угловая зависимость относительного изменения скорости быстрых магнитозвуковых волн дается выражением

др | ¿>(рцу) ^ (Н дХ]

¿тгч Эv¡

(6)

А(1))=1(В1-А1-1 + Л/Ж+Ж:Г2АГТА^Г6) (7)

где

n - « (л - „ _ P0m0aX

Aj = 2tij ^sin tf + cos t}J cos t?, A2 = 4u22^l+(U-)2jcos2tf,

D = 4«iU2 j^l - (sin tf - cos cos31? .

Величины ац, ах описывают эффекты линейной ыагаитострикции. Компоненты , fix диагонального, по предположению, тензора Ду характеризуют дипольное взаимодействие частиц. Выражение (7) позволило адекватно описать имеющиеся экспериментальные данные по анизотропии скорости ультразвука в намагниченных магнитНа рис. 5 показаны угловые зависимости скорости ультразвука в магнитной жидкости, рассчитанные по соотношению (7). Кривая 1 описывает анизотропию скорости ультразвука только за счет дипольного механизма, кривая 2-только за счет магнитострик-ционнго механизма, а кривые 3,4 - результат их совместного проявления при различных вкладах каждого. Сплошные линии на рис. 3, 4 иллюстрируют результат расчета по формуле (7). Таким образом, в рамках модели магнитной жидкости с вмороженной намагниченностью анизотропия скорости распространения ультразвука объясняется двумя конкурирующими механизмами: дипольным и магнитострикционным.

В разделе 4.4 дано обобщение системы уравнений феррогидродинамики с учетом диссипативных эффектов, которые обусловлены наличием вязких напряжений в магнитной жидкости, конечностью времени релаксации г напряженности магнитного поля внутри жидкости к равновесному значению и теплопроводностью жидкости. В

ных жидкостях.

Рис. 5.

разделе 4.5 подробно обсуждаются свойства предсказываемой новой моды - волны альфвеновского типа и выяснены условия ее экспериментального наблюдения. Для этого рассмотрена задача о генерации сдвиговых волн бесконечной плоскостью, которая граничит с несжимаемой, непроводящей вязкой магнитной жидкостью (г > 0) и колеблется вдоль оси у по гармоническому закону с частотой ш. К жидкости приложено внешнее постоянное однородное магнитное поле _£Г, направленное вдоль оси я. Температура жидкости счита-талась постоянной. В результате решения этой задачи получены следующие выражения для скорости распространения

с =

2(С1 + С® (8)

и коэффициента поглощения рассматриваемой модифицированной сдвиговой волны

(9)

где

2 (С? + С1)

_ тп1/3±ит , с] _ тп10±^т2 . ,

В случае ш0 = 0 выражения (8) и (9) переходят в известные формулы для скорости распрострадения с, = у/2иш и коэффициента поглощения а, — сдвиговых волн в обычной вязкой жидкости. Другой предельный случай, соответствующий отсутствию вязкости ^ = 0, описывает чисто альфвеновскую затухающую волну, скорость распространения и коэффициент поглощения которой определяется соотношениями

с =

2 т1Р±шт ^

ШТ+ \Д + Ш2Г2 '

а = (тот^х (1 + ^ТТ^Р)) (И)

соответственно. Для выяснения условий ее экспериментального наблюдения были рассмотрены частотные зависимости скорости и поглощения для двух случаев.

Пусть шт > 1 иы > рто'Рх/г!, тогда из (8) следует, что с = с„ а из (9) - а = а,. Таким образом, при этих больших частотах обнаружить волну альфвеновского типа невозможно, поскольку определяющая роль принадлежит обычной сдвиговой волне.

В случай ит < 1 н г* » г]/(рто)2 получим с = т0-^2рт*ш и а = о?/с. Следовательно, в этом частотном диапазоне должна наг блюдаться альфвеновская волна. Однако сделанные оценки с учетом типичных параметров магнитных жидкостей показали, что для удовлетворения условия шг« 1 необходимо измерения проводить в инфразвуковой области.

Целью пятой главы являлось изложение результатов исследований динамических свойств магнитных жидкостей, представляющих собой физическую основу для современного приборостроения. В последнее время широкое распространение получили комбинированные методы исследования вещества, для которых характерно возбуждение одной из взаимодействующих подсистем, а соотвествую-щий отклик наблюдается за счет реакции другой подсистемы. К таг ким методам, в частности, относится широко применяемый в физике твердого тела метод электромагнитно - акустического (ЭМА) преобразования. В разделе 5.1.1 приведен обзор работ по ЭМА преобразованию в магнитных жидкостях и показано, что большая часть работ этого напрправления связана с изучением прямого ЭМА преобразования, которое заключается в возбуждении и регистрации упругих колебаний с помощью электромагнитного поля. Практический аспект таких исследований связан с разработкой устройств и отдельных элементов приборов на основе магнитных жидкостей, в частности излучателей ультразвука, датчиков для измерения ультразвуковых полей. В разделе 5.1.2 обсуждается возможный механизм ЭМА преобразований в магнитных жидкостях. Рассмотрена линейно намагничивающаяся жидкость в однородном стационарном магнитном поле напряженностью Но, магнитная проницаемость р. которой при фиксированной напряженности полагалась функцией плотности р и температуры Т. Поэтому распространение ультразвуковой волны в магнитной жидкости приводит к адиабатическим возмущениям магнитной проницаемости р! благодаря колебаниям плотности и температуры в ультразвуковой волне. В результате возникает вихревое

электрическое поле, амплитуда которого определяется соотношением

Д' = *цкЩпкц0р/ с (12)

Таким образом, если волновая нормаль распространяющейся в магнитной жидкости ультразвуковой волны имеет составляющую п* не-коллиниарную поляризующему полю #о/, то при этом возбуждается вихревое электрическое поле, которое можно обнаружить индукционным методом. В этой связи была сделана оценка амплитуды э.д.с., наводимой в катушке индуктивности с эффективной площадью Б и числом витков N. Полагая, что внешнее магнитное поле и волновой вектор ультразвуковой волны взаимоперпендикулярны, плоскость измерительной катушки перпендикулярна магнитному полю, преобразуем выражение (12) к виду

В рамках гидродинамической теории звука возмущения плотности р' в ультразвуковой волне связано с колебательной скоростью частиц среды V в линейном приближении соотношением

/ " Р= Р~» с

поэтому выражение для апмлитуды ЭДС запишем в виде

Э = ),РН°~С (13)

Коэффициент (дц(др), характеризует стрикционные натяжения в среде. Таким образом, обнаруженное явление ЭМА преобразования в магнитных жидкостях, на наш взгляд, связано с проявлением маг-нитострикционных свойств. В 5.1.3 описана методика изучения ЭМА преобразований в магнитных жидкостях. Цилиндрический сосуд (резонатор) с исследуемой жидкостью помещался в рабочее пространство электромагнита так, что напряженность магнитного поля была направлена вдоль оси резонатора. Электрический сигнал от задающего генератора подавался на пьезопреобразователь, ультразвуковые колебания которого через линию задержки из плавленного

кварца вводились в магнитную жидкость. Распространение ультразвуковой волны в магнитной жидкости приводило к возбуждению э.д.с. в катушке, расположенной коаксиально резонатору. Сигнал с катушки поступал на вход регистрирующего устройства. Система резонатор - катушка помещалась в воздушный термостат, который обеспечивал точность термостатирования ¥0,1 К в диапазоне (295 -353) К. Измерения проводились на частоте, соответствующей максимальному сигналу, снимаемого с катушки. Для выполнения условия постоянства вводимой в магнитную жидкость интенсивности звука напряжение возбуждения пьезопреобразователя, снимаемое с выхода генератора, контролировалось и поддерживалось постоянным на всех частотах от 0 до 200 кГц. Для проведения ЭМА спектроскопии применялась другая схема: на пьезопреобразователь подавался сигнал с блока низкой частоты анализатора спектра СК4 - 58 в диапазоне частот от 0,4 до 600 кГц. Сигнал с катушки поступал на индикатор Я40 -0830, обеспечивающий наблюдение и измерение спектра сигнала. Дополнительно производилась запись спектра измеряемого сигнала с помощью двуххоординатного самописца Н307/1. При наблюдении обратного ЭМА преобразования зондирующий импульс подавался на катушку, а возбуждаемые упругие колебания в магнитной жидкости регистрировались с помощью пъезопреобразователя.

В 5.1.4 проведено обсуждение экспериментальных результатов. Обнаружено два типа полевых зависимостей э.д.с., наводимой в измерительной катушке, при изменении напряженности от 0 до 69 к А/м. В случае высококонцентрированной магнитной жидкости указанная зависимость имеет максимум, который с ростом температуры уменьшается. Для магнитных жидкостей с ¡р < 12% амплитуда э.д.с. с ростом напряженности магнитного поля нелинейно возрастает и затем выходит на практически постоянный уровень. Анализ этих зависимостей основывался на соотношении (13) и сводился к определению влияния температуры и напряженности магнитного поля на коэффициент магнитострикции. Было установлено, что в высококонцентрированной жидкости коэффициент магнитострикции сначала возрастает с увеличением напряженности поля, достигает максимума и затем нелинейно уменьшается. В этом разделе описан алгоритм расчета среднего размера частиц с помощью указанных выше

зависимостей.

Анализ полученных спектральных характеристик резонатора, заполненного магнитной жидкостью и находящегося под воздействием внешнего постоянного магнитного поля, позволил сделать следующие выводы. Во - первых, увеличение объемной концентрации частиц магнетита приводило к сдвигу резонансных частот в сторону их уменьшения. Во - вторых, при фиксированной концентрации частиц рост температуры вызывал уменьшение резонансных частот. Поскольку в эксперименте применялись резонаторы, толщина стенок которых была значительно меньше длины волны ультразвука, то при анализе спектров использовалось приближение акустически мягкой стенки. Поэтому наблюдаемые частоты интерпретировались как радиальные моды резонатора. Исходя из этого были сделаны оценки скорости ультразвука, которые оказались на (5-12)% меньше, чем определенные прямым измерением импульсно - фазовым методом на частоте 3 МГц.

Свойства магнитожидкостного акустического контакта рассмотрены в разделе 5.2. Основное преимущество такого контакта связало с возможностью удерживать магнитную жидкость в рабочем зазоре с помощью определенной конфигурации магнитного поля, создаваемого постоянными магнитами. Для практики ультразвукового контроля необходимо выяснить рабочий диапазон температур магнитных жидкостей различного типа и оценить потери жидкости при сканировании контролируемых поверхностей. В этой связи были выполнены измерения плотности, скорости ультразвука, сдвиговой вязкости и коэффициента поверхностного натяжения в магнитных жидкостях на основе воды, антифриза и додекана в широкой области температур. Для изучения температурной зависимости коэффициента поверхностного натяжения был разработан новый метод, заключающийся в генерации на поверхности магнитной жидкости гравитационно - капиллярных волн с помощью переменного магнитного поля, ортогонального к поверхности жидкости. Возбужденные таким образом гравитационно - капиллярные волны фиксировались методом голографической интерферометрии. Затем по голограммам определялись длины стоячих волн, соответствующих различным частотам переменного магнитного поля, что позволяло эксперимен-

тально установить дисперсионное соотношение для указанных волн. С помощью этого соотношения затем определялся коэффициент поверхностного натяжения. Указанный комплекс параметров был использован для расчета волнового сопротивления и величины расхода жидкости при сканировании изделия. В разделе 5.3 описана конструкция магнитожидкостного излучателя ультразвука и приведены результаты его испытаний, включающие измерение спектрального состава и диаграммы направленности излучения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Впервые методами акустической спектроскопии систематически исследованы магнитные жидкости в ненамагниченном состоянии. В результате установлен релаксационный характер поглощения ультразвука в диапазоне частот 3-50 МГц. Предложен новый магни-тодинамический механизм диссипации энергии ультразвука, обусловленный связью магнитных и акустических спектров поглощения. Показано, что добавочное поглощение ультразвука в ненамагничен-ных магнитных жидкостях описывается вязкостным, магпитодинамическим и тепловым механизмами диссипации. Выполнены оценки релаксационных частот и среднего размера частиц для изученных образцов магнитных жидкостей при вариации температуры от 293 до 333 К.

2. Проведены впервые экспериментальные исследования комплекса физических параметров магнитных жидкостей : скорости распространения и коэффициентапоглощения ультразвуковых волн, плотности, эффективной сдвиговой вязкости при вариации давления до 10® МПа и температуры в диапазоне (293-333) К. Определены барические зависимости изотермической и адиабатической сжимае-мостей, установлена применимость уравнения Тейта для описания Р — р — Т данных магнитных жидкостей. Рассчитаны нелинейные акустические параметры магнитных жидкостей и установлен их рост с увеличением объемной концентрации твердой фазы.

3. Разработан акустический метод исследования кинетики агрегирования частиц магнитной жидкости, основанный на измерении зависимости поглощения ультразвука от времени экспозиции магнитной жидкости в стационарном магнитном поле. Для анализа экспериментальных данных предложена модель, описывающая

распространение ультразвука в магнитной жидкости с эллипсоидальными агрегатами и в рамках которой восстанавливалась кинетика процесса агрегирования.

4. Создана методика и экспериментальная установка для изучения анизотропии акустических свойств магнитных жидкостей. Впервые экспериментально установлена зависимость анизотропии акустических свойств магнитных жидкостей от времени выдержки в магнитном поле и вариации температуры.

5. Разработана новая континуальная модель магнитной жидкости, основанная на концепции вмороженности намагниченности. Показано, что гидродинамическими модами магнитной жидкости с вмороженной намагниченностью являются быстрая, медленная магнитно-звуковые волны и волна альфвеновского типа, в которой колеблется намагниченность.

6. Создана теория распространения ультразвука в магнитных жидкостях, находящихся под воздействием однородных постоянных магнитных полей. Анизотропия скорости ультразвука объяснена двумя механизмами, обусловленными дипольным взаимодействием частиц и магнвтострикцией. Показано удовлетворительное согласие между экспериментальными и теоретическими результатами.

7. Проведено теоретическое исследование распространения сдвиговых волн в магнитной жидкости с вмороженной намагниченностью. Получены выражения для скорости распространения и коэффициента поглощения сдвиговых волн. Определены области частот, в которых разделяются вязкая и альфвеновская волна.

8. Разработана методика и проведены экспериментальные исследования ЭМА преобразования в магнитных жидкостях. Показано, что наиболее вероятным механизмом ЭМА преобразования является магнитострикционный. Наблюдаемые ЭМА спектры объяснены возбуждением радиальных мод цилиндрических резонаторов. Сделаны оценки скорости ультразвука на низких частотах. Предложен алгоритм расчета среднего размера частиц твердой фазы магнитных жидкостей.

9. Исследованы физические свойства магнитожидкостного акустического контакта. Проведены измерения плотности, скорости ультразвука, сдвиговой вязкости и коэффициента поверхностного натя-

жения в магнитных жидкостях на основе воды, антифриза и доде-кана в широкой области температур. Полученный массив данных позволил оптимизировать выбор магнитных жидкостей для применения в ультразвуковой дефектоскопии.

СПИСОК ОСНОВНЫХ РАБОТ

1. Дмитриев С.П., Соколов В.В. Скорость звука в магнитных жидкостях при высоких давлениях // Матер. 3 Всесоюз. школы -семинара по магнитным жидкостям. МГУ. 1983. С. 86 - 87.

2. Петров O.E., Свешников Ю.А. Соколов В.В., Шустров Б.А. Анизотропия скорости звука в ферромагнитной жидкости // Матер. X Всесоюзн. акустической коиф. М. 1983. С. 9 - 12.

3. Лукьянов А.Е., Соколов В.В., Шустров Б.А. Возбуждение волн намагниченности в ферромагнитной жидкости // Тез. докл. 16 Всесоюзн. конф. по физике магнитных явлений. Тула. ТГПИ,

1983. С. 256.

4. Соколов В.В., Трегубкин Э.А. Индукционные явления при распространении ультразвуковых волн в магнитной жидкости // Тез. докл. 11-го Рижск. совещ. по магнитной гидродинамике. Саласпилс, 1984, Т.З, С. 51 - 54.

5. Дмитриев С.П., Соколов В.В. Измерение параметров жидких сред при высоких давлениях // Приборы и техника эксперимента.

1984. N1. С.184 - 187.

6. Соколов В.В., Трегубкин Э.А. Электромагнитно-акустические взаимодействия в магнитной жидкости при распространении ультразвуковых волн // Тез. докл. 1-ой Всес. конф. "Акустическая эмиссия материалов и конструкций". Ростов-на-Дону, 1984, 4.1, С.67 - 68.

7. Мансуров К.Х., Соколов В.В. Акустические свойства магнитных жидкостей // Тез.докл. 17 Всесоюзн.конф.по физике магнитных явлений. Донецк, 1985. С. 191 - 192.

8. Соколов В.В. ЭМА преобразование в магнитной жидкости // Применение ультраакустики к исследованию вещества. М.гВсесоюзн. заочн. машин, институт., Вып. 37,1986, С. 75 - 76.

9. Соколов В.В. Акустические свойства магнитных жидкостей // Тезисы докл.З Всесоюз.совещдо физике магнитных жидкостей,

Ставрополь, 1986. С. 103 - 105.

10. Дмитриев С.П., Соколов В.В. Упругие свойства магнитных жидкостей при высоких давлениях // Магнит, гидродинамика 1986. N2. С. 61 - 64.

11. Соколов В.В. Замечания к результатам Ислера и Чанга по влиянию магнитного поля на скорость распространения ультразвуковых волн в магнитной жидкости / / Магнит, гидродинамика. 1986. N4. С. 136 - 137.

12. Соколов В.В.рСамзаев Б.Х. Влияние давления на поглощение ультразвука в магнитной жидкости // Тез. докл. 12-го Рижск. совещ. по магнит, гидродинамике 1987, 151 - 154.

13. Мансуров К.Х., Соколов В.В.'Акустические свойства магнитных жидкостей. 1.Магнитные жидкости на основе керосина // Магнит, гидродинамика. 1987. С. 63 - 66.

14. Соколов В.В. Акустика магнитных жидкостей // Изв. АН СССР, сер. физич. 1987. N6. С. 1057 - 1061.

15. Ноздрев В.Ф., Соколов В.В.Дамзаев Б.Х.Теплофизические и кинетические свойства магнитных жидкостей при высоких давлениях// Докл. АН Тадж. ССР. 1987. Т.ЗО. N9. С. 568 - 571.

16. Соколов В.В. Магнитожидкостные преобразователи ультразвука // Тез. докл. Всесоюз. конф. "Состояние и перспективы развития электротехнологии". Иваново, 1987, С. 99.

17. Соколов В.В., Трегубкин Э.А. Электромагнитно - акустическое преобразование в магнитной жидкости // Магнит, гидродинамика, 1987, N1, С. 132 - 135.

18. Соколов В.В., Трегубкин Э.А. Магнитострикционные свойства магнитных жидкостей // Статические и динамические свойства магнитных жидкостей. Свердловск: УНД АН СССР, 1987. С.44 -48.

19. Соколов В.В. Термооптическое возбуждение звука в магнитной жидкости // Тез. докл. 4 Совещ. по физике магнитных жидкостей. Душанбе, 1988, С. 79 - 80.

20. Мансуров К.Х., Соколов В.В. Акустические свойства магнитных жидкостей. 2. Магнитные жидкости на основе воды // Магнит, гидродинамика. 1988. N2. С. 25 - 29.

21. Кузин Б.И., Лукьянов А.В., Соколов В.В., Трегубкин Э.А. Применение методов физической акустики к исследованию магнитных жидкостей / / Приборы и методы измерения физических параметров ферроколлоидов 1991 С. 76-81.

22. Dmitriev S.P., Sokolov V.V. Anisotropy of Acoustical Properties of Magnetic Fluid// Abst. Six Int. conf. on Magn. Fluids, Paris, 1992. P. 412 - 413.

23. Kondrachov V.M., Sokolov V.V. The Golographic Study of Surface Properties of Magnetic Fluids // Abst. Six Int. conf. on Magn. Fluids, Paris, 1992. P. 288 - 289.

24. Sokolov V.V. Determination nonlinear parameters B/A of magnetic fluids // Proc. 13th Int. conf. nonlin.acoust. Bergen, Norway,

1993. P. 74 - 82.

25. Sokolov V.V., Kuzin B.I. Anisotropy of Acoustical Properties of Water-based Magnetic Fluid // Proc.Nordic Acoustical Meeting, Aarhus, Denmark, 1994, P. 467 - 470.

26. Sokolov V.V. Acoustic studies of magnetic fluids //J. Acoust. Soc. Am. 1994 Vol. 95. N5. Pt.2 P. 2962.

27. Кузин В.И., Соколов B.B. Анизотропия поглощения ультразвука в магнитной жидкости на основе воды // Акустич. ж.

1994, Т. 40, N 4, С. 689.

28. Sokolov V.V., Nadvoretsky V.V. Effects of aggregation size, orietation on anisotropy of ultrasonic attenuation in magnetic fluid, Proc. Nordic Acoustical Meeting. Aarhus, Denmark, 1994. P. 461 - 466.

29. Соколов B.B., Надворецкий B.B. Вязкостный механизм поглощения ультразвука в магнитных жидкостях // Магнит, гидродинамика. 1994. Т.30. N2. С. 270 - 277.

30. Sokolov V.V. and Nadvoretsky V.V. Viscous mechanism of ultrasonic absorption in suspensions // Revista Latinoamericana de Acustica. 1995. V.3. N1. P.33 - 41.

31. Sokolov V.V., Tolmachov V.V. Wave Propagation in Magnetic Fluids with Frozen Magnetization // Sev. Int.conf.on Magn.Fluids, India, Bhavnagar, 1995, P. 194-195.

32. Sokolov V.V. and Tolmachov V.V. Nonequilibrium theory of magnetic fluid with frozen magnetization // 14th Int. Riga Con. on Magn.Hydrod., Latvia, Jurmala, 1995, P.168.

33. Соколов В.В., Толмачев В.В. Применение обощенного принципа виртуальных работ в феррогидродинамике. 1. Магнитная жидкость со свободной намагниченностью // Магнит, гидродинамика. 1996, Т. 32, N 3, С. 313 - 317.

34. Соколов В.В., Толмачев В.В. Применение обощенного принципа виртуальных работ в феррогидродинамике. 2. Магнитная жидкость с вмороженной намагниченностью // Магнит, гидродинамика. 1996, Т. 32, N 3, С. 318 - 322.

35. Кравчук A.C., Надворецкий В.В., Соколов В.В. Моделирование кинетики агрегирования частиц магнитной жидкости // Тез. докл. межвуз. конф. " Перспективы повышения надежности и качества наукоемкой продукции на основе новейших достижений приборостроения", М.: МГАПИ, 1996. С. 74 - 75.

36. Соколов В.В., Толмачев В.В. Распространение сдвиговых волн в магнитной жидкости с вмороженной намагниченностью // Письма в ЖТФ. 1996, Т. 22, Вып. 24 С. 88 - 91.

37. Соколов В.В., Толмачев В.В. Анизотропия скорости распространения звука в магнитной жидкости // Акустич. ж. 1997,

Т. 43, N1, С. 1 - 4.

Подписано в печать 11.04.97. Формат 60x84. 1/16. Объем 1,9 п.л. Тираж 100 экз. Заказ 71.

МГАПИ

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, доктора физико-математических наук, Соколов, Виктор Васильевич, Москва

МОСКОВСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

На правах рукописи

СОКОЛОВ ВИКТОР ВАСИЛЬЕВИЧ

УЛЬТРАЗВУК И ДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МАГНИТНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

(01.04.14 - теплофизика и молекулярная физика)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

Москва - 1997

СОДЕРЖАНИЕ

Введение............................................................. 5

Глава 1. Акустическая спектроскопия ненамагииченных магнитных жидкостей...........................................................13

1.1 Обзор исследований по распространению ультразвука в ненамагииченных магнитных жидкостях.....................................13

1.2 Акустические свойства ненамагниченных жидкостей.............20

1.2.1 Магнитные жидкости на основе керосина.......................20

1.2.2 Магнитные жидкости на основе воды ...........................29

1.3 Вязкостный механизм поглощения ультразвука в магнитных жидкостях ...............................................................36

1.4 Магнитодинамический механизм поглощения ультразвука в магнитных жидкостях................................................... 48

1.5 Анализ акустических спектров поглощения в ненамагниченных

магнитных жидкостях ...............................................51

Глава 2. Термодинамические и кинетические свойства магнитных жидкостей при высоких давлениях...................................59

2.1 Методика и техника эксперимента................................60

2.2 Термодинамические свойства магнитных жидкостей при высоких давлениях ...........................................................69

2.2.1 Анализ Р-р—Т данных.........................................69

2.2.2 Зависимость упругих свойств магнитных жидкостей от температуры и давления......................................................71

2.3 Определение нелинейных акустических параметров магнитных

жидкостей...........................................................77

2.4 Кинетические свойства магнитных жидкостей при высоких давлениях ..............................................................80

Глава 3. Акустические свойства намагниченных магнитных жидкостей ......................................-...........................87

3.1 Обзор экспериментальных исследований по изучению влияния магнитного поля на акустические свойства магнитных жидкостей ... 87

3.2 Изучение кинетики намагничивания магнитных жидкостей акустическим методом.................................................. .92

3.3 Оценка поглощения ультразвука в магнитной жидкости с эллипсоидальными агрегатами...........................................98

3.4 Анизотропия акустических свойств магнитных жидкостей в постоянном магнитном поле...............................................................................109

3.4.1 Методика и техника эксперимента.............................110

3.4.2 Экспериментальные результаты по анизотропии акустических

свойств магнитных жидкостей.......................................113

Глава 4. Континуальная модель магнитной жидкости с вмороженной намагниченностью...............................................122

4.1 Обзор теоретических исследований по распространению ультразвука в рамках континуальных моделей ..............................122

4.2 Применение принципа виртуальных работ в феррогидродинамике ..................................................................... 129

4.2.1 Магнитная жидкость со свободной намагниченностью...........129

4.2.2 Магнитная жидкость с вмороженной намагниченностью .........139

4.3 Анизотропия скорости распространения ультразвука. Сравнение

с экспериментом....................................................146

4.4 Диссипативная теория магнитной жидкости с вмороженной намагниченностью .....................................................158

4.5 Особенности распространения волн Альфвена в магнитной жидкости с вмороженной намагниченностью............................161

Глава 5. Практические аспекты акустики магнитных жидкостей .. 166

5.1 Электромагнитно - акустическое преобразование в магнитных жидкостях..........................................................166

5.1.1 Обзор исследований по ЭМА преобразованию в магнитных жидкостях ...............................................................167

5.1.2 Механизм ЭМА - преобразования в магнитных жидкостях.....169

5.1.3 Методика и техника эксперимента .............................173

5.1.4 Результаты экспериментальных исследований и их обсуждение ...................................................................177

5.2 Свойства магнитожидкостного акустического контакта........... 186

5.2.1 Влияние температуры на физические свойства магнитожидкостного контакта ..................................................... 187

5.2.2 Оптимизация выбора типа магнитной жидкости для акустического контакта........................................................ 194

5.3 Магнитожидкостные преобразователи ультразвука ................198

Заключение..........................................................204

Список литературы .................................................207

опт TTl<,TЗ"TЯr"IJ, ррйДД) Л ЛИ1

дится в рамках феррогидродинамики - сравнительно новой области гидродинамики, возникшей именно благодаря синтезу магнитных жидкостей. Число континуальных моделей непроводящей магнитной жидкости, а именно такого типа жидкости наиболее широко используются в практике, весьма велико, и процесс разработки новых моделей продолжается. Этот факт указывает и на актуальность проблемы и на неудовлетворительность предложенных моделей, что обусловлено сложностью моделируемой среды, отсутствием четких критериев применимости моделей.

В этой связи изучение особенностей распространения ультразвуковых волн в магнитных жидкостях имеет большое значение для развития феррогидродинамики, поскольку результаты таких исследований позволяют провести апробацию существующих различных уравнений феррогидродинамики уже в линейном приближении. Такое направление применения методов физической акустики представляется весьма важным, так как обеспечивает экспериментальную основу для построения континуальных моделей реологически сложных сред.

на период до 1990 г. ив соответствии с Постановлением ГКНТ СССР N 485 от 14.11.1986« а также при выполнении плановых научно - исследовательских работ Московской государственной академии приборостроения и информатики Министерства общего и профессионального образования РФ.

изучение распространения ультразвуковых волн в ненамагничен-ных магнитных жидкостях на различной основе ;

исследование комплекса физических параметров магнитных жидкостей в условиях высокого давления (до 108Па);

изучение кинетики намагничивания магнитных жидкостей акустическим методом;

исследование анизотропии акустических свойств магнитных жидкостей в постоянных магнитных полях;

разработка методов и проведение исследований электромагнитно - акустических (ЭМА) явлений ;

создание континуальной модели магнитной жидкости. Решение этих задач было достигнуто благодаря проведению параллельно экспериментальных и теоретических исследований. Научная новизна работы состоит в следующем: Впервые экспериментально обнаружен релаксационный характер поглощения ультразвука в магнитных жидкостях и показано, что

Создан новый метод измерения комплекса физических параметров магнитных жидкостей: скорости распространения и коэффициента поглощения ультразвуковых волн, плотности, эффективного коэффициента сдвиговой вязкости при высоких давлениях. Впервые получены экспериментальные данные о барической зависимости указанных параметров в магнитной жидкости на основе керосина с различным объемным содержанием частиц твердой фазы при вариации давления до 108 Па и температуры в диапазоне 293-333 К.

Разработана методика, измерения анизотропии скорости распространения и коэффициента поглощения ультразвуковых волн в намагниченных магнитных жидкостях, обеспечивающая получение воспроизводимых результатов. Впервые получены результаты по анизотро-

пии акустических свойств в магнитных жидкостях на основе керосина, додекана и воды.

Разработаны физические основы электромагнитно - акустической спектроскопии магнитных жидкостей, позволившие установить влияние состава и внешних условий на магнитострикционные свойства магнитных жидкостей, разработан метод оценки среднего размера частиц и метод измерения интенсивности ультразвука.

На защиту выносятся:

Результаты экспериментальных и теоретических исследований кинетики намагничивания акустическим методом.

Практическая ценность работы. Разработанные в диссертации экспериментальные методы изучения динамических свойств магнитных жидкостей с помощью ультразвука могут быть использованы в целях экспресс-анализа и диагностики качества магнитных жидкостей, а также могут составить физическую основу соответствующих приборов. Полученный массив экспериментальных данных по те-плофизическим и кинетическим свойствам магнитных жидкостей в условиях высокого давления может быть использован в инженерных расчетах магнитожидкостных узлов и устройств, предназначенных для работы в условиях высокого давления, в частности, в расчетах гидроакустических антенн. Разработанные методики и результаты изучения ЭМА преобразования в магнитных жидкостях открывают новые возможности как в практике научных исследований, та.к и при разработке современных контрольно - измерительных приборов. Представленные в работе результаты по физическим свойствам маг-

нитожидкостного контакта., применяемого в ультразвуковой дефектоскопии, позволяют осуществить оптимальный выбор типа магнитных жидкостей при заданном рабочем диапазоне температур.

Апробация работы проводилась на международных и всесоюзных конференциях, семинарах в научных организациях страны, основными из которых являются следующие: Всесоюзная школа-семинар по магнитным жидкостям (Плес,1983), Всесоюзные конференции по физике магнитных явлений (Тула, 1983; Донецк, 1985; Калинин, 1988), Всесоюзные совещания по физике магнитных жидкостей (Ставрополь, 1986; Душанбе, 1988; Пермь, 1990), Всесоюзная научно-техническая конференция "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (Иваново, 1987), Рижские совещания по магнитной гидродинамике (Юрмала 1987, 1990), Международные конференции по магнитным жидкостям (Париж, 1992; Бхав-нагар, 1995), Международная конференция по нелинейной акустике (Берген, 1993), Международная коференция "Колебания и волны в экологии, технологических процессах и диагностике", (Минск,

ных сред (Пермь), Институте механики МГУ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 73 работы, в том числе 6 авторских свидетельств на изобретения.

Глава 1. Акустическая спектроскопия ненамагниченных магнитных жидкостей

1.1 Обзор исследований по распространению ультразвука в ненамагниченных магнитных жидкостях

В настоящей главе, как и в последующих, обзорная часть включает только те работы, которые были выполнены до начала наших исследований (1982 г). Более поздние работы других авторов рассмотрены в разделах, посвященных анализу результатов, где и проведено их сравнение с нашими данными.

Методы физической акустики широко применяются при изучении равновесных и кинетических свойств вещества [11,12], однако к моменту начала наших исследований было выполнено всего несколько экспериментальных работ по измерению акустических свойств магнитных жидкостей и, как будет показано ниже, методы акустической спектроскопии не использовались.

Первые измерения скорости распространения ультразвука были выполнены авторами работы [13] в магнитных жидкостях на основе керосина и вакуумного масла, которые установили, что добавление в несущую жидкость частиц магнитного материала приводит к уменьшению скорости ультразвука, а температурная зависимость скорости определяется в основном типом несущей жидкости. Кроме того, в этой работе были проведены исследования скорости распространения ультразвука в двухкомпонентных жидких смесях: керосин-олеиновая кислота и вакуумное масло-олеиновая кислота.

Оказалось, что в первой смеси скорость ультразвука возрастает с увеличением концентрации олеиновой кислоты, во второй - убывает. Скорость ультразвука измерялась двумя методами: импульсным (частота 2,2 МГц) и методом интерферометра (диапазон частот 0,05 -1,2 Мгц). Дисперсии скорости обнаружено не было. Поглощение ультразвука не измерялось. Спустя год появилась работа [14] зарубежных авторов, в которой содержалось только значение скорости ультразвука в керосине (1275 м/с) и в магнитной жидкости на его основе (1201 м/с). Более содержательными были результаты исследований авторов работы [15], которые изучили влияние температуры на скорость распространения ультразвука в магнитных жидкостях на основе керосина, воды и установили, что температурный коэффициент скорости ультразвука в магнитных жидкостях на основе керосин�