Ультразвуковое зондирование структуры концентрированной магнитной жидкости тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

На правах рукописи

АКСЕНОВА ТАТЬЯНА ИВАНОВНА

УЛЬТРА'ЗВУКОВОЕ ЗОНДИРОВАНИЕ СТРУКТУРЫ КОНЦЕНТРИРОВАННОЙ МАГНИТНОЙ ЖИДКОСТИ

01.04.14 - Тснлофншка н молекул»рнан фишка

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата фншнчьматематнчсскнх наук

Курск 1998

#

#

Работа выполнена на кафедре физики

Курского государственного технического университета

Научный руководитель: доктор физико-математических нау| профессор Полунин Вячеслав Михайлови

Официальные оппоненты: доктор технических нау|

профессор Яцун Сергей Федоровн

кандидат физико-математических нау! доцент Зотов Валерий Васильеви

% Ведущая организация: Институт радиотехники

электроники АН Р<

Зашита диссертации состоится «24» июня 1998 г. в 15- часе на заседании диссертационного совета К 064.50.04. при Курско государственном техническом университете по адресу: 30504( г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотек университета.

Автореферат разослан « 22 » мая 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, Ол

кандидат физико-математических наук \УСч%1/<-Фо<:лякоиа Л.И

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В последние десятилетия внимание широкого круга нс-ледователей привлечено к новому технологическому матерналу-магнитным жид-юс тям (МЖ), взаимодействие которых с внешним магнитным полем обусловлено и\ ильными магнитными свойствами (магнитная восприимчивость, намагниченность). .1Ж представляет собой коллоидный раствор однодоменных феррн - и ферромаг-1И1НЫХ частиц в жидкостн-носнтеле. Для придания дисперсной системе необходимой фС1 ативной устойчивости магнитные частицы покрываются слоем стабилизатора.

Физические свойства магнитных жидкостей определяются свойствами основы, одержанном дисперсной фазы, седимеитационной устойчивостью дисперсных астиц.

Действие магнитного поля приводит к изменению физических свойств ^житных жидкостей, что оказывает влияние на работоспособность устройств с :риченснисм МЖ. Поэтому для прогнозирования свойств МЖ и успешного исдрения нового материала в промышленность являются актуальными исследования лняния магнитного поля на процессы перестройки структуры МЖ.

Акустические исследования позволяют получить информацию о структурных змененнях в магнитном коллоиде, при этом не требуется оптическая прозрачность селедуемой среды. Измерения акустических величин в различных физических словиях могут быть использованы также для разработки технологии получения МЖ заданными акустическими параметрами.

П связи с этим актуальность темы определяется необходимостью исследования пругнх свойств и структуры МЖ, ее перестройки и зависимости от параметров маг-м|мою поля, наиболее полное выявление которых, может быть осуществлено мето-ами молекулярной акустики. Исследование связи между акустическими свойствами аруму рой МЖ представляет интерес и для фншческой химии дисперсных систем, режде всею с ючкн зрения получения информации об их устойчивости, времени -'.таксации перестройки структуры, необратимых яплсииях в структурообразованни.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с проектами Грантов 1993 !да (шифр 9-1-5. -1-1005) и 1996 года (шифр 95-0-5. 6-10) Госкомитета РФ по ысшему образованию.

Целыо работы является изучение физической природы механизма :рестронкн структуры относительно устойчивых концентрированных МЖ при ипелыюм воздействии магнитного ноля различной степени неоднородности.

Для досшжсння указанной цели были сформулированы следующие задачи:

- методом акустического зондирования выявить наличие медленных схашммов перестройки структуры МЖ при длительном во^асйствии на нее однородного магнитного поля;

- выявить.роль рефракции ультразвука в МЖ в формировании зависимости «плитуды принятого радиоимпульса от времени;

- составить компьютерные программы для нахождения оптимального сложения акустической ячейки в неоднородном маши гном 'поле с заданным 1адненточ, а также для обработки и анализа экспериментальных данных;

- разработать аналог ншестиой ультразвуковой установки для шмерепия 1ГЛ0ШСНИЯ ультразвука с использованием современной элементной базы, ¡сспсчивамшсн возможность акустического зондирования МЖ в маС^тиом иоле

Научные положения н результаты, выносимые на защиту:

(.Обоснование методики измерения приращения коэффициента поглощения ультразвука при постоянной базе, прошедшего намагниченную в однородном магнитном поле МЖ.

2. Экспериментальные результаты акустического зондирования концентрированных магнитных жидкостей при длительном воздействии неоднородного магнитного поля, свидетельствующие о наличии процессов медленной перестройки структуры, и предположение об их магнитодиффузионной природе.

3. Механизм уменьшения амплитуды радиоимпульса на приемном пьезоэлементе, обусловленного рефракцией звуковой волны, в неоднородно намагниченной МЖ.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

- обоснован метод измерения приращения коэффициента поглощения ультразвука в однородно намагниченной МЖ при постоянной базе;

- получены результаты экспериментального исследования зависимости приращения коэффициента поглощения ультразвука, прошедшего через концентрированную МЖ. находящуюся в однородном магнитном поле, от времени;

- получены результаты экспериментальных измерений относительной амплитуды радиоимпульса на приемном пьезоэлементе при длительном воздействии неоднородного магнитного пола нд МЖ;

- впервые показано, что за счет рефракции звуковой волны в неоднородно намагниченной жидкости, заполняющей акустическую ячейку, возможно недиссипативнос уменьшение амплитуды принятого сигнала;

- предположение о том, что основным механизмом перестройки структуры в исследованных магнитных жидкостях при длительном воздействии на них неоднородного магнитного поля, является процесс медленной магнитодиффузин.

Достоверность результатов экспериментальных исследований подтверждается сравнением с приводимыми в литературе данными других авторов, проведением измерений на эталонных образцах, расчетами погрешности, проведенных измерений, н соответствием полученных результатов известным физическим представлениям.

Практическая ценность диссертации.

Результаты исследования существенно дополняют известные представления об особенностях перестройки структуры МЖ под влиянием магнитного поля. Полученные экспериментальные данные могут быть использованы в разработке технологии приготовления магнитных жидкостей с заданными акустическими параметрами н прогнозирования работоспособности МЖ в различных устройствах.

Апробация работы.

Результаты отдельных этапов исследования докладывались на XIX Всесоюзной конференции по магнитным явлениям (Ташкент, 1991 год), юбилейных конференциях ученых КПП (1994 год, 1995 год), на II Научно- технической конференции »Вибрационные машины н технологии» (Курск, 1995 год), научно- практической конференции «Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов» (Курск. 1995 год) и на Всероссийской научной конференции «Физкко-хнмнческне проблемы нанотехнологий» (Ставрополь, 1997 год).

Публикации.

Результаты исследований, представленные в диссертации, опубликованы в 10 работах.

Структура и объём работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка цитируемой литературы и приложения. Объем диссертации составляет 170 страниц, содержит 23 рисунка и таблицы, 141 наименование цитируемой литературы и приложение на 22 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы цель и задачи исследования, основные положения, выносимые на защиту. Представлены научная новизна. достоверность и практическая ценность полученных результатов.

В первом главе описывается природа магнитных жидкостей и их фишческие свойства. Приводится обзор экспериментальных и теоретических работ, посвященных исследованиям структуры и устойчивости МЖ, ее акустическим н магнитным свойствам.

Мт анализа результатов экспериментальных исследований, имеющихся в литературе, следует, что работы по изучению влияния длительного воздействия магнитных полей (однородного и неоднородного) на устойчивость МЖ с изменением акустических параметров практически отсутствуют.

Довольно немногочисленными являются экспериментальные работы по исследованию процесса магшгголнффузии в МЖ. Ультразвуковая методика экспериментальных исследований МЖ недостаточно разработана.

На основании анализа известных экспериментальных работ были сформулированы цель и задачи исследования.

Для решения поставленных задач потребовалось провести наряду с акустическими исследованиями и магнитометрические измерения, позволяющие выяснить структурные особенности изучаемых образцов МЖ. а также измерения их плотности.

Во второй главе дастся обоснование выбора объектив, исследования, приводится краткая их характеристика н способы н.х получения; описание экспериментальной установки для измерения приращения коэффициента поглощения (радио »лектроннме блоки, устройство акустической ячейки); обоснована методика н шерення приращения коэффициента поглощения ультразвука в МЖ при постоянной бате, а также приведена методика измерения малштиых параметров МЖ и матитною поля.

Блок - схема экспериментальной установки представлена на рис. I.

Радиотехническая часть установки включает в себя генератор радиоимпульсов колоколообратной формы и приемник супелгетсродннного типа.

Рафаботанный импульсный генератор состоит из генератора импульсов -формирователя I, задающего ВЧ генератора 2, работающего в диапазоне частот 3-24 МГц, и широкополосною усилится* мощности на транзисторах' 3. Генератор импульсов I с изменяемыми' частотой следования н скважностью, работающий в диапазоне иизких частот от 2 до 10 кГц. собран на интегральной микросхеме и транзисторах. Задающий ВЧ генератор 2. псрсстрасвземый по частоте в 21 диапазонах

3-10 и 10-24 МГц. работает в режиме автомодуляции с частотой повторения импульсов 4 кГц Двухлучевой осциллограф (С1-83) 4 работает в ждущем режиме I запускается пусковыми импульсами, получаемыми от задающею генератора I частотой 3-10 кГц. Радиоимпульс! 1, генерируемые задающим генератором 2 поступают на выходной каскад, являющийся широкополосным усилителем 3. и < выходного каскада на вход 1 канала осциллографа 4. Это обеспечивает контроль и стабильностью амплитуды видеоимпульса и дает возможность отсчитывать врем> прохождения акустического сигнала в исследуемой среде по осциллограмме. Излучающий кварц 5 преобразует высокочастотное напряжение, получаемое 01 генератора, в ультразвуковой сигнал. Последний распространяется чере полуволновую пластинку 6, исследуемую среду - МЖ 7, полуволновую пластинку 8 т поступает на приемный кварц 9, который действующее на него звуковое давленш преобразует в радиоимпульс. Радиоимпульс поступает на вход приемник: су пергетеродинного типа с одним преобразованием частоты.

Для преобразования частоты используется - гетеродин 13.

2

N

4 «116«-1-

15

5 6 7 8 9

Шг

К X

Б

17

14

9 10

Рис. 1. Блок- схема экспериментальной установки.

13

На входе приемника имеется аттенюатор 10, обеспечивающий ступенчато ослабление входного сигнала в 10 раз. После аттенюатора сигнал поступает чере фильтр 11 на преобразователь частоты, состоящий из кольцевого смесителя 12 1 гетеродина 13, выполненного по традиционной схеме индуктивной трехточкн. Поел смесителя сигнал промежуточной частоты 2 МГц поступает на • усилнтел промежуточной частоты (УПЧ) - 14 с достаточно широкой полосой пропускания (.и 500 кГц по уровню 0,7) н имеющего в канале УПЧ плавный проградуированны! аттенюатор. На выходе в канале УПЧ - амплитудный детектор 15 н эмнттерны! повторитель 16, исключающий влияние нагрузки на приемный тракт. Предварнтелыи ч¿пленные видеоимпульсы поступают на вход II канала осциллографа 4. Блаюдар д-тектровашао принятых импульсов достигается приемлемая четкость и изображения на экране осциллографа. Для уменьшения колебаний напряжения сеп

2

1

применяется феррорезонансный стабилизатор напряжения (на блок-схеме не показан).

Акустическая ячейка с электрозащищенными пьезоэлектрическими датчиками, устройство которой покатано на рис. 2, с образцом МЖ располагалась а однородном и неоднородном магнитных полях, создаваемых постоянным магнитом с различными полюсными наконечниками 17. Корпус ячейки выполнен в виде цилиндра с внешним диаметром 40 мм и высотой 82 мм. Поперечное сечение внутренней полости ячейки представляет собой квадрат со стороной 20 мм. Грани ячейки тшагельно обрабатывались на параллельность. Толщина дна ячейки - 2 мм. Магнитная жидкость 3 заполняет кювету приблизительно на 'Л ее высоты 60 мм).

Пьезоэлектрические кварцевые пластины I х - среза (игтучатель и приемник) ра (мешаются сооспо на фиксированном расстоянии друг от друга в специальных нишах м июлированм от исследуемой среды полуволновымн пластинками 2. Собственная частота пьезопластнн - 4,5 МГц. диаметр - 2 см. Винт 5 служит для усиления »лектроконтакта. Крышка 4 выполнена из плексигласа толщиной 4 мм н предка значена для зашиты от попадания пыли н для наблюдения за свободной

4

Рис. 2. Акустическая ячейка.

поверхностью МЖ. Псе элементы акустической ячейки, и том числе № (уволноиые пластинки, иногонлени из немагнитного материала (латунь). Акустическая ячейка предварительно проверялась на термсшчность п течение 8 часов в керосине.

И|Чсрсш1Я ирнрашепмя коэффициента поглощения Аа производились импульсным методом с постоянной базой, так как при перемещении пьезолатчиков нешбежно но шикают механические разрушения структу ры МЖ, что было ранее обнаружено.

В силу прямого пьезоэффекта на гранях одноп луволнового приемного пье юниора тора, работающего на (2ш-1) - гармонике, возник.-гсг разность потенциалов:

и, =-^--и0е^\ (1)

1 2 • (2т - 1)- р»сж 0

где Гц - пьсзокоэффициенг, рис- плотность пьезопластины и скорость звука в ней; р» и с, - плотность жидкости и скорость звука в ней; и0 - амплитуда электрического импульса, поступающего на излучающий пьезопреобразователь; а, - коэффициент поглощения ультразвука в жидкости; Ь - расстояние между излучающим и приемным преобразователями.

При наложении магнитного поля на МЖ можно ожидать, что в силу изменения се вязкости произойдет существенное изменение ее коэффициента поглощения ультразвука и он станет равным а2. В то же время по существующим представлениям и опытным данным практически не изменяются такие параметры жидкости, как рх и е.. Следовательно, амплитуда электрического напряжения, снимаемого с приемного пьезопреобразователя, при включении магнитного поля может быть найдена по формуле:

и2=-^---(2)

2 2-(2т-1) ржсж

! ■

Поделив левые и правые части равенств (1) и (2) друг на друга, находим "а '

Опсудаа2-а, или Да = Г'<лу^-, (3)

Ь и2

Таким образом, измерение приращения коэффициента поглощения ультразвука в МЖ сводится к определению относительной амплитуды видеоимпульса на экране

осциллографа Р = .

Погрешность измерений относительной ам плиту ды~7 - 8%.

Третья глава посвящена исследованию особенностей прохождения ультразвуковых импульсов через концентрированную магнитную жидкость, находящуюся длительное время 30 суток) в однородном или неоднородном магнитных полях.

Исследования проводились на 3-х образцах МЖ типа магнетит ь керосине (стабилизатор - олеиновая кислота), приготовленных в разных лабораториях городов Санкт-Петерб^га, Наро-Фоминска Московской области и Шебекино Белгородской области.

Приведены результаты измерений основных характеристик объектов исследований: плотности МЖ, объемной концентрации, намагниченности насыщения МЖ. начальной магнитной восприимчивости, размера феррочастнц по данным магнктогранулометрнческого анализа.

Предварительно проверялась на стабильность работы экспериментальная становка. Для этого в ячейку заливался керосин, и она помешалась в магнитное поле 1ежду полюсами постоянного магнита. В течение месяца (• 30 суток) не Гч.пи обнаружено никакого изменения амплитуды на экране осциллографа. После згой [роверки экспериментальной установки в акустическую ячейку заливались по череди исследуемые образцы МЖ и выдерживались в течение месяца 30 суток) не магнитного поля. В этом случае тоже никаких изменений амплитуды сшнала на кране осциллографа не было замечено, т.е. в отсутствии магнитного поля 1сследуемые образцы МЖ отличаются достаточной устойчивостью. После этою образцы МЖ помешались на длительное время в однородные магнитные поля с 1=115 или 132 кА/м.

На рис. 3 представлены зависимости относительной амплитуды сигнала р от ремени намагничивания 1 в однородном продольном поле (Н| к) для всех образцов 1Ж. Из графика видно, что самой устойчивой жидкостью в магнитном поле казалась МЖ - 2 с концентрацией <р = 11%. В течение 25 суток амплитуда сигнала, рошедшего через МЖ, практически не изменялась.

По окончании данной части эксперимента юовета с МЖ - 2 была повернута на 0° вокруг своей оси, при этом амплитуда принятого сигнала увеличилась в ~ 1,1 раза.

Рис. 3. Зависимость относительной амплитуды Р сигнала от времени амагничивания I в однородном магнитном поле (Й\к) для образцов магнитной сидкости в-МЖ-1; Д-МЖ-2;о-МЖ-3.

[ри возвращении юов^ты в первоначальное положение амплитуда сигнала рактически не изменилась. Все измерения проводились при комнатной температуре 1°С.

На рис. 4 представлен график зависимости пркрашения коэффициента оглощения ультразвука Да, прошедшего через образец МЖ - 2, .находящийся в днородном магнитном поле, от времени намагничивания. Из графика видно, что в ределах погрешности измерений коэффициент поглощения остается постоянным, »тот результат согласуется с ранее полученными данными других авторов на

(i' IO", А м:

ы 1,2 I

0,8 0,6 0,4 0,2 0

0

20 40 60 80 100 120

X ,мм

Pjic. S. Распределение градиента напряженности вдоль оси Ох. Лоле l-о; поле 2-#;

наблюдается уменьшение относительной амплитуды, а затем в нижней части крив появляется относительно небольшой максимум.

35 I, с\то

'не. 6. Зависимость относительном амплитуды он нала от прем

AG Дх

- П"к "о - И1к

нлмагннчнпаннч в неоднородном магнитном поле —— — 7-10''' , для МЖ-1.

стойчивых образцах МЖ, находившихся в однородном поле в течение относшслыю Iалого промежутка времени (до 1 часа).

Из рис. 3 видно, что самым неустойчивым ока (алея oöpa ich МЖ с обьемнчи онцентрацией <р = 8%. Спустя двое суток с начала опыта амплитуда прошедшею игнала уменьшилась в 2,5 раза, затем наблюдались значительные изменения мплшулы. иосяшис немонотонный характер. При повороте кюветы вокрчг оси м пли туда сигнала вначале увеличилась, доспннуп максимума при )i.ic -И'. a uu-j меньшилась до 0,2 перноначального значения при угле noitopoia W. И)мерсния с братом МЖ - 3 проводились при температуре 22" С.

Перед проведением эксперимента в неоднородном млпжшом imic. |редваритслыю была измерена напряженность магнитною поля и установлено определение градиента напряженности магнитного поля G по вертикали от иешра ¡ежполюсного пространства Графики зависимостей G(.v) предетапленм на рис. 5.

При получении кривые 1 и 2 для создания магнитных полей использовались юлюсные наконечники в виде сменных дисков с различными размерами соответственно поле 1 и поле 2)

Для нахождения оптимального положения акустической ячейки в «однородном магнитном-поле была разработана программа на я зыке Pascal для IHM 'С, позволившая определить область магнитного поля, в которой достигается 1аибольшнй градиент скорости звука при линейном ее изменении.

Дсцы

5 -Г 4 3 -2 ■ 1 О

уровень погрешности.

• • ♦

-»-»-о-» ? »

10

15

20

25 t, сутки

Рис. 4. Зависимость приращения коэффициента поглощения ультразвука, рошедшего через образец МЖ-2, находящийся о однородном мапштноч поле, от ремсии намагничивания.

• На рис. 6 н 7 представлена зависимость относительной амплитуды сигнала [3 т времени намагничивания в неоднородном магнитном поле для образцов МЖ - 1 рис. 6) и МЖ-2 (рис. 7).

аяиснмости представлены как для параллельного (Н]к) ' так и для

ерпеидикулярного (Н±к )расположения кюветы в магнитном поле. Из графиков ледует, что я обоих случаях кривые ведут себя сходным образом: вначале

б

Рис. 7. Зависимость относительной амплитуды сигнала от я реме i

намагничивания в неоднородном магнитном поле —— -9-1 ()'' , для МЖ-2.

Лх / м

о-»¡¡к ♦ - Н±к

О четвертой главе проводится анализ полученных экспернменталын ре iy;iL raioti с результатами расчетов по различным моделям и предложен алсквапи мЬхапшм. обуславливающий изменение амплитуды принятою сигнала исс ледованных обра шах.

Природа диссипации гшерши звуковых волн я концентрированных M шучена недостаточно, и многие 'эффекты, в частности, аномальное поведен коэффициента поглощения при намагничивании жидкости, не имеют алскватн фишчсской интерпретации. Зачастую в nuiepaiypc можно варспиься противоречивым подходом в опенках поглощения знуконон -торг чч Всяк жменсние амплитуды ультразвуковых импульсов, прошедших череч слой М' истолковывалось как результат изменения козффшщента поглощения, как если < речь шла об обычных изотропных жидкостях. В теории поглощения звука M рассматривалась исключительно как сплошная однородная в макромасштабс ере; Теоретические исследования особенностей прохождения звуковых волн чс| мллоконцентрнроиаиные МЖ ратвнвалнсь, прежде всего, в рамках классичсск млннгомиродннамнкн к механики сплошных сред

Классическая магнитогндродинамичсская теория не учитывает релакелт намагниченности МЖ-ттрн распространении в ней звуковой волны. Впервые рас дополнительного поглощения, вызнанного релаксацией намапшчсмности, б выношен М.И Щ'шомисоч и Б.И. Пирожковым язя малоконцентрщюнанных Y бе > \ 'iciл колебании температуры в звуковой волне.

В связи с перспективой применения магнитных жидкостей в качестве реобразователей звуковых колебаний возникает интерес к более обстоятельно«) сслслованию возмущений намагниченности и. в частности, к обобщению теории на тучай магнитной жидкости произвольной концентрации при распространении в ней зоэнтропийной звуковой волны параллельно магнитному полю и перпендикулярно к ему.

Если звуковая волна распространяется в МЖ параллельно вектору апряженности магнитного поля, т.е. Н|| К, то в звуковой волне вследствие колебаний лотности и температуры происходит возмущение намагниченности.

Воспользовавшись уравнением релаксации намагниченности МЖ в форме:

гм/^-т'Чм-м^-м-сКуди/а. (4>

1е I - время, т - время релаксации, Мс - равновесное значение намагниченности, ожно получить формулы скорости распространения с„ и коэффициента поглощения )ука ам в жидкости, помешенной в магнитное поле:

см=[с2Тц„м5(Л+(о2Г)/р(1+со2т2)]1;2, ~ (5)

ам = Ц„М2(1-А)ш2т /2рс3(1 + (о2т2), (6)

где АЕ(пМп/М0+уМт/М0)/(1 + Ми);уврТс2/Ср; 0 - температурный

ээффициент расширения; С? - удельная теплоемкость при постоянном давлении; Т -:мпература; с - скорость звука в ненамагниченной МЖ.

Приращение скорости и коэффициент поглощения оценивались по формулам:

Лси=МоМ„72рс . ам = ^Мс(1-А)

2рс т

>

Если учесть неоднородность намагничивающего поля, то можно получить рирашение скорости распространенна Дс н коэффициента поглощения звука Да:

Дс = -ц0С5Мнс/2со'р; Да = -ц0С(М0+ у-Мт)/2рс2. (8)

Рассмотрена также модель диссипации звуковой, энергии в феррочастицах, зязанной с возвратно-поступательным движением частиц. В этом ' случае, ээффициент поглощения ультразвука можно рассппать по формуле:

а = В2ф/р,г. (9)

1е р, - удельное электрическое сопротивление материала феррочастицм; г -злновое сопротивление МЖ; ф - объемная концентрация МЖ.

. На основании проведенных по формулам (7 - 9) оценочных расчетов показаж чю мехагппмы, обусловленные релаксацией намагниченности МЖ, помешенной однородное и неоднородное магнитные поля, и собственными потерями феррочаешцах. связанными с но шратно-поступак-льним движением час пи приводят к незначительным изменениям акустических параметров нсследоваины образцов МЖ - скорости распространения и коэффициент поглощения улырашука При намагничивании реальных магнитных жидкостей в неоднородно магнитом поле возможна такая перестройка структуры, при которой нарушаете макроскопическая однородность системы. К таким нарушениям однородное!и можс принести магннгоднффузия феррочастиц, проявление которой становий выраженным в условиях высокоградиентных магнитных полей. Перераспределен!! концентрации дисперсной фазы по объему обуславливает появление градиеш скорости звука - основного признака слоисто - неоднородных сред, распространен!! и ¡y k;i и которых описывается теорией, разрабомнной академиком Л.М. Бреховекнх пол) чиншей широкое применение при и {учении акустики океана.

, i.ели перераспределение концентрации дисперсной фа ii.i по обьеыу имеч опрс;кмснн)№ направленность, то можно рассчитывать на появление i радист скорости звука. При постоянном градиенте скорости звука траекторией луча ян.чяек окружность радиуса R n = C„/Gc • cosa,,, как показано в лучевой теории, где а„ угол выхода луча из источника, образованный между нормалью к градиенту скорое i и волновым вектором, а Со - скорость звука в окрестности источника. Для луч вышедшею из источника горизонтально, т.е. по нормали к градиенту скороси ии =0 и радиус кривизны луча R , =C„/G1.. Угол поворота волновою векюра 0 i расстоянии S от источника (длины акустического пути в МЖ), отсчитываемом н

1акнм обраюм, в результате рефракции улырашуковош луча, птоск; туковая полна падлег па поверхность пьезоэлектрической н.тас!иш.г-нрнемника не уг лом 0 . Для расчета направления на первый минимум амплнгуды прнняюю сш на; Tiocno.il. |)емся моилом зон Френеля. Первый минимум амплшуды ктсктричееког напряжения натп.еюнласшне coorrieiciB)cr попаданию на поверхноеш пьеюнласш колебании от 2-х зон Френеля, т.е.

B S¡nO/(>./2) = Z = 2 или »• sinümm = }..

При Я/u «I, 0,,,,,, ~ X/в, где X, - длина ультра гпукопон волны; в - длш стороны квадратной пьеюэлектрической пластины.

Таким образом, показано. Что за счет рефракции звуковой волны неоднородно намагниченной жидкости, заполняющей акустическую я чей к возможно неднсснпатнвнос уменьшение амплитуды принятог о сигнала.

Составлена программа на языке Pascal для ШМ 1'С. пошолнвшая определи приращение концентрации Д^. скорости Лс в слоях МЖ толщиной по 4 мм и угс о!ктонення волнового-вектора 0 в объеме активной зоны акустической ячейки обра «ими МЖ - 1 н МЖ - 2. содержащими 10% крупных частиц с радиусами от I до JO им. н.1\одч1Ц|1\ся длительное время в неоднородном машишом поле (5. 10, 1 20. .Я О суток).

По результатам расчетов на ЭВМ согласно выбранной модели «медленной» лагнитоднффузии, построены графики изменения кокцетрации " скорости в кследуемых образцах. Из графиков видно, что концентрация МЖ в обоих образцах шнейно возрастает в активной зоне кюветы, а скорость, наоборот, линейно убывает в треяелах активной зоны в направлении градиекга напряженности магнитного поля.

Высказано предположение, что основным механизмом перестройки структуры i исследованных образцах МЖ - I и МЖ - 2 при длительном воздействии на них 1еоднород1юго магнитного поля, является процесс «медленной» магннтолифф\ uni.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ II ВЫВОДЫ РАБОТЫ

1.Создана экспериментальная установка для ультразвукового зондирования юнцентрнрованных магнитных жидкостей, подверженных длительному воздействию laniHTHoro поля.

2.Обоснован метод измерения приращения коэффициента поглощения льтразвука при постоянной базе в намагниченной магнитной жидкости.

3.Получены экспериментальные результаты измерения относительной мплитуды радиоимпульса на приемном пьезоэлементе для трех образцов маг шиной сидкости, находящихся длительное время в однородном магнитном поле.

4.Установлено, что приращение коэффициента поглощения ультразвука для стойчивой магнитной жидкости, находящейся длительное время в однородном laniHTHOM поле, не превышает погрешности измерений.

5.Выполнены измерения относительной амплитуды радиоимпульса на риемном пьезоэлементе при длительном воздействии неоднородного магнитного оля на устойчивые магнитные жидкости; обнаружено, что на - 10 сутки Ь МЖ - 2 и а ~ 20 сутки в МЖ - I наблюдается уменьшение амплитуды в ~ 20 раз и в ~ 10 раз »ответственно, с последующим ее возрастанием.

6.Разработаны программы на языке Pascal. для IBM PC, позволившие пределнть оптимальное положение акустической ячейки в неоднородном магнитном оле с заданным градиентом, а также для обработки и анализа экспериментальных энных.

7.На основании проведенных оценочных расчетов показано, что механизмы, ^условленные релаксацией намагниченности МЖ, помещенной в однородное н ¡¡однородное магнитные поля, н собственными потерями в феррочастицах, мчанными с itx возвратно-поступательным движением, приводят к незначительным шенениям акуст!Р1сск!гх параметров исследовашпи образцов МЖ - скорости »спространення и коэффициента поглощения ультразвука.

3.Высказано предположение о возможной неадекватности интерпретации :спсрнме1ггалы!их данных, полученных методом измерения коэффнцне1гга . зглощения ультразвука, применительно к дисперсной среде с градиентом )ние1гграцнн, обусловленным внешним полем.

9.Показана возможность уменьшения амплитуды принятого сигнала зз счет гфракции звуковой волны в неоднородно намагниченной жидкости.

Ю.Высказано предположение, что основным механизмом перестройки руктуры в исследованных образцах МЖ - 1 и МЖ - 2 при длительном воздействии i них неоднородного магнитного поля является процесс «медленной« 1гнитоднффузии частиц, составляющих -1% объемной концентрации.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. О методике измерения поглощения ультразвука в магнитной жидкоа / В.М. Полунин., A.A. Чернышева., Т.Н. Аксенова., Л.И. Рослякова., Н.. Протасова., Н.П. Акатов. - Курск, 1983. - 18 с. Деп. в ВИНИТИ 23.05.83, J 3213.

2. Полунин В.М., Рослякова Л.И., Аксенова Т.И. Формирован! акустического поля в магнитной жидкости с помощью неоднородно' магнитного' поля // XIX Всесоюзная конференция по физике магннтти явлений: Тез. докл. - Ч. 2. - Ташкент, 1991. - С. 165 - 166.

3. Рослякова Л.И., Полунин В.М., Аксенова Т.И. Об аддитивной модсч формирования упругости магнитных жидкостей // Тез. докл. Юбилейш конференции ученых КПИ. - Курск, 1994. - С. 252 - 253.

4 Рослякова Л.И., Чернышева A.A., Аксенова Т.И. Исследование книетт процессов структурообразования в магнитных жидкое|я\ акустически* методами // Ультразвук и термодинамические свойства вещества: С научных трудов. - Курск, 1994. - С. 77 - 78.

5. Об ультразвуковой диагностике магнитных жидкостей / Т.И. Аксенов U.M. Игнатснко., Л.И. Рослякова., A.A. Чернышева // Труды юбилейш конференции КГТУ. - Ч. I. - Курск. 1995. - С. 110 - 112.

6. Аксенова Т.И., Полунин В.М., Шилов М.Л. Установка для улыра шукоп' диагностики магнитожидкостных элементов устройств // Вибрационн: машины и технологии: Сб. докладов и материалов 2- й- научно технической коиф. - Курск, 1995.-С. 160- 162.

7. Диагностика качества магнитных жидкостей для герметизаторов / Т. Аксенова., В.М. Полунин., Л.И. Рослякова., A.A. Чернышева // Охра

" окружающей срслм и рациональное использование природных ресурс« Материалы науч. - i тракт. конференции. - Курск, 1995. - С. 119 12).

■ 8. Методика экспериментального исследования мат ни тдиффу ши магнитной жидкости / Т.И. Аксенова., И.А. Дьяченко., Г.В Карпова., II I Полунин., Л.И. Рослякова // Ультразвук и термодинамические снимет нсшестпа: Сб. научных трудов. - Курск, 1996. - С. 137 - 142.

9. Аксенова Т.Н., Дьяченко И.А„ Полунин В.М. Экснеримснгальн исследования распространения ультразвука в неоднородно намлпшченн магнитной жидкости И Физико-химические н прикладные проблс* магнитных жидкостей: Сб. научных трудов. - Ставрополь: Изд -во СГ 1997.-С. 54-55. '--Г'''

Ю.Аксенова Т.И., Дьяченко И.А., Полунин В.М. Некоторые особенно« прохождения-ультразвука через неоднородно памат «пленную магшитг жидкость //Современные проблемы естественных наук: Сб. трудов. - Кур • 1998.-С. 7-И.;: : • J

• - • Wfrcec/y'

Подписано к печати 21.05.98 . Формат 60x84 1/16. Печатных листов 1.0 .

Тираж 100 экз. Заказ (о ? .

ре кий государственный технический университет 305040 Курск, ул. 50 лет Октября, 94.