Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор литературы 10-40
1.1. Магнитострикционные преобразователи 10-16
1.2. Дисперсная система магнитных частиц 16-32
1.3. Генерация упругих колебаний магнитной жидкостью 32-40
2. Методика исследования преобразования энергии перемен ного магнитного поля в упругие колебания 41-61
2.1. Блок-схема и принцип действия установки по воз буждению упругих колебаний в магнитной жидкости 41-47
2.2. Температурные измерения 47-49
2.3. Определение намагниченности и градиентов магнитного поля 49-51
2.4. Измерение скорости распространения ультразвуковых колебаний 51-56
2.5. Выбор объекта исследования 56-61
3. Определение резонансной толщины преобразователя 62-82
3.1. Исследование зависимости скорости распростране ния продольных ультразвуковых волн (УЗВ) в магнитной жидкости от концентрации твердой фазы и температуры 62-74
3.2. Исследование влияния напряженности постоянного однородного магнитного поля на скорость распро странения ультразвуковых волн в магнитной жидкости .74-82
4. Исследование механизма преобразования энергии электро магнитного поля в упругие колебания 83-143
4.1. Экспериментальные данные по возбуждению колебаний в дисперсной системе магнитных частиц 83-105
4.2. Определение акустических характеристик магнито-жидкостного преобразователя 105-109
4.3. О возможных механизмах генерации упругих колебаний в дисперсной системе магнитных частиц, взвешенных в жидкости 109-143
Выводы. 144-146
Литература
- Дисперсная система магнитных частиц
- Определение намагниченности и градиентов магнитного поля
- Исследование влияния напряженности постоянного однородного магнитного поля на скорость распро странения ультразвуковых волн в магнитной жидкости
- Определение акустических характеристик магнито-жидкостного преобразователя
Введение к работе
Исследования широкого спектра физических свойств дисперсных систем твердых магнитных частиц, взвешенных в жидкостях, благодаря их уникальным физическим свойствам, привлекают в последние годы все большее внимание как физиков-экспериментаторов, так и физиков теоретиков. Использование упомянутых систем позволяет принципиально по новому решать задачи создания герметези-рующих устройств, подшипников, узлов трения с магнитной смазкой, сепараторов для разделения руд.
Одним из важных практических применений дисперсных систем, как теоретически показали Керри и Фенлон [бб] , может быть их использование для преобразования анергии электромагнитных колебаний в упругие. При этом преобразующие устройства приобретают ряд преимуществ по сравнению с традиционными. Например, в них возможны плавная регулировка резонансной частоты, диаграммы направленности и так далее» На основании расчетов авторы работы [66] утверждают, что преобразование осуществляется, в основном, за счет взаимодействия неоднородного переменного магнитного поля с намагниченной системой. В своем чисто феномонологическом подходе (в континуальном приближении) авторы не учитывают эффекты диполь-«дипольного взаимодействия диспергированных частиц и возможное изменение их физических свойств в магнитном поле, например, маг-нитострикционные изменения размеров и объема частиц.
Экспериментальные исследования по возбуждению упругих колебаний в дисперсной системе магнитных частиц, взвешенных в жидкости, проводились [75,76J только на самых низких ультразвуковых частотах (16-26,7 кГц). Колебания возбуждались в неоднородном переменном магнитном поле, что возможно за счет предсказанного в работе [бб] механизма. Однако, экспериментальных сведений в [75, 76] , позволяющих установить природу вынуждающей силы, явно не достаточно.
Можно с уверенностью сказать, что выводы работы [бб], в которой рассмотрен феномонологический подход без учета эффектов диполь-дипольного взаимодействия диспергированных твердых частиц и их магнитострикции, не могут быть универсальными. Более того, трудно ожидать, что в мегагерцевом диапазоне частот пондеро-моторный механизм, обусловленный действием неоднородного переменного магнитного поля на намагниченную систему магнитных частиц, взвешенных в жидкости, дает основной вклад в генерацию упругих колебаний.
Таким образом, несмотря на научное и практическое значение и актуальность изучения механизма преобразования энергии с помощью дисперсной системы магнитных частиц, имеются лишь отдельные работы, посвященные этому вопросу.
Цель данного исследования состоит в выявлении особенностей электромагнитного возбуждения упругих колебаний в дисперсной системе магнитных частиц, взвешенных в жидкости, в мегагерцевом диапазоне частот; в определении доминирующего механизма преобразования (предположительно это магнитострикция самих магнитных частиц) с последующей разработкой физической мадели преобразования, а также в выдаче некоторых практических рекомендаций. Для достижения указанной цели ставились и решались следующие задачи: разработать методику возбуждения ультразвуковых колебаний при воздействии на дисперсную систему магнитных частиц постоянного и переменного маг-нихных полей; определить зависимость скорости распространения ультразвуковых колебаний в изучаемых магнитных системах от концентрации твердой фазы, температуры, напряженности намагничивающего поля; провести эксперименты по выявлению зависимостей амплитуды ультразвуковых колебаний преобразователя на основе микрочастиц от величины напряженности внешнего постоянного намагничивающего поля, амплитуды напряженности и градиента переменного магнитного поля, температуры и концентрации твердой фазы; выделить на основе полученных экспериментальных данных механизм, вносящий основной вклад в процесс генерации ультразвуковых колебаний и построить физическую модель этого процесса; на основе построенной модели дать некоторые практические рекомендации для создания магнитожидкостного преобразователя в мегагерцевом диапазоне частот.
Научная новизна диссертации заключается в следующем: показана принципиальная возможность генерации ультразвуковых колебаний в мегагерцевом диапазоне частот дисперсной системой частиц, взвешенных в жидкой матрице при одновременном воздействии на нее постоянного и переменного магнитных полей;
показано, что толщина резонансного слоя исследуемой магнитной системы в интервале напряженностей 0-500 кА/м подмагничиваю-щих магнитных полей определяется, в основном, концентрацией твердой фазы и температурой;
объяснено слабое влияние магнитного поля на скорость распространения ультразвуковых волн, обнаруженное в некоторых из исследованных дисперсных системах (относительное изменение скоростною""3) на основе предложенной модели диполь-дипольного взаимодействия диспергированных твердых частиц;
впервые исследовано влияние пондеромоторного механизма генерации ультразвуковых волн, связанного с поршневым движением недеформируемых полем диспергированных частиц;
предложена магнитострикционная модель преобразования электромагнитных колебаний в упругие, учитывающая особенности состояния магнитных свойств твердых микрочастиц, а также вращение их векторов спонтанной намагниченности.
Практическая ценность состоит в том, что результаты, полученные в диссертационной работе, могут быть использованы при создании и оптимизации ультразвуковых преобразователей с перестраиваемой частотой, в которых, с целью увеличения мощности излучения в мегагерцевом диапазоне частот, целесообразно применение дисперсных систем, содержащих микрочастицы, обладающие гигантской магнитострикцией.
Работа выполнена на кафедре физики Курского политехнического института в соответствии с постановлением ГКНТ, Координационным планом АН СССР на I98I-I985 г.г. по решению научно-технической проблемы 1.3.5.9 ( Физика твердого тела) и планом госбюджетных работ кафедры по теме "Исследование упругих свойств магнитных жидкостей методами молекулярной акустики", номер государственной регистрации 81070484.
Настоящая работа является одной из серии исследований физических свойств магнитных дисперсных систем, проводимых в ЫШ под руководством Полунина В.М., который является научным консультантом работы.
Основные результаты по теме диссертации докладывались и обсуждались на:
Всесоюзном симпозиуме "Гидродинамика и теплофизика магнитных жидкостей" (г.Юрмала, 1980 г.), ХУ Всесоюзной конференции по физике магнитных явлений (г.Пермь, 1981 г.), П и Ш Всесоюзной школе-семинаре по магнитным жидкостям (гЛІлес, 1981, 1983 г.), Семинаре по прикладной магнитной гидродинамике Института механики сплошных сред (г.Пермь, 1983 г.), Семинаре по физике магнитных явлений физического факультета Московского государственного университета (г.Москва, 1983г.), УШ Международной конференции по
МГД-преобразованию энергии (г.Москва, 1983 г.).
По теме диссертационной работы опубликовано 14 работ.
диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы.
Первая глава представляет обзор и анализ опубликованных работ, посвященных изучению особенностей физических свойств магнитных микрочастиц, создаваемых на их основе дисперсных систем магнитных частиц, взвешенных в жидкости (магнитных жидкостей), а также особенностям магнитожидкостных и твердотельных магнитострикционных преобразователей.
Вторая глава посвящена описанию методов исследования, используемых экспериментальных установок, способу получения дисперсных магнитных систем, а также методике измерений.
В третьей главе представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований зависимости скорости распространения ультразвуковых колебаний в дисперсной системе магнитных частиц, взвешенных в жидкости, от концентрации твердой фазы, температуры, величины и направления внешнего магнитного поля. На основании полученных результатов прогнозируется резонансная толщина рабочего тела преобразователя и её зависимость от вышеперечисленных параметров.
В четвертой главе рассматриваются результаты полевых,концентрационных и температурных зависимостей амплитуды ультразвуковых сигналов преобразователя в мегагерцевом диапазоне частот. Разработаны физические модели преобразования на основе диполь-диполь-ного взаимодействия диспергированных частиц и их магнитострик-ции. На основе сопоставления теоретических и экспериментальных исследований выявлено, что основной вклад в преобразование в мегагерцевом диапазоне частот вносит магнитострикция твердых частиц. Исходя из особенностей выявленного механизма генерации да -. 9 ются некоторые практические рекомендации.
В выводах сформулированы основные результаты диссертационной работы.
На защиту автор выносит следующее:
методику резонансной генерации упругих колебаний система о ми частиц магнетита (со средним размером 100 А), взвешенными в жидких матрицах, при возбуждении электромагнитным полем в мегагерцевом диапазоне частот;
экспериментальные и расчетные данные по зависимости скорости распространения ультразвуковых колебаний от концентрации твердой фазы, температуры, а также от величины и направления внешнего намагничивающего поля в дисперсных системах магнитных частиц, используемых для изучения процесса преобразования энергии;
экспериментальные результаты по полевым и температурным зависимостям амплитуды ультразвуковых колебаний преобразователя для магнитных систем с различной концентрацией твердой фазы;
магнитострикционную физическую модель процесса преобразования энергии электромагнитных колебаний в упругие, подтверждаемую на основе сопоставления экспериментальных и расчетных полевых зависимостей амплитуды ультразвуковых колебаний.
Дисперсная система магнитных частиц
Жидкая среда с сильно выраженными магнитными свойствами может быть получена коллоидным диспергированием твердых магнитных частиц в какой-нибудь жидкости. Полученная таким образом двухфазная система ведет себя, как однородная жидкость, очень чувствительная к магнитному полю. Существование таких коллоидных растворов предполагает достаточно малые размеры взвешенных в жидкости твердых частиц, обеспечивающее достаточное влияние броуновского движения, которое должно препятствовать их направленному перемещению в гравитационном поле.
Расчеты показывают, что для известных дисперсных систем, отличающихся вязкостью и плотностью диспергированного магнетика и дисперсионной среды, максимальный диаметр частиц равен AJ (ІСГ -ІСГ7) см. при 300 К. В реальных устойчивых коллоидных растворах размеры магнитных частиц лежат в пределах - (HP -Ю"4) см. [г?].
В качестве жидкой среды обычно используется керосин, вода, толуол, ртуть; и т.д. В качестве магнетика - кобальт, никель, ферромагнитные окислы -Fe C » РезО » ФерР11 никеля, кобальта, ферро- и ферримагнетики. Как известно, коллоидально растворенное вещество сохраняет, в основном, физические свойства, присущие ему в монолитном состоянии. Ферро- и ферримагнетизм о не является в этом смысле исключением до размеров порядка-Ю А [їв]. Однако при уменьшении размера частиц до радиуса порядка — о 100 А они становятся однодоменными, то есть намагниченными однородно ж до насышения.
Физические свойства однодоменных частиц определяются свойствами самих малых частиц и их взаимодействием в магнитном поле. На возможность существования однодоменных частиц при дроблении массивного тела, впервые указали в 1930 г. Френкель и Дорфман [19]. Это связано с тем, что при уменьшении размеров частиц маг-нитостатическая энергия (объемная энергия собственного магнитного поля образца), пропорциональная кубу диаметра частицы, убы- вает быстрее чем поверхностная энергия, пропорциональная квадрату диаметра. Поэтому ниже некоторого критического диаметра, энергия, связанная с размагничивающим полем частицы, лишенной структуры области с замкнутым потолком, будет меньше поверхностной энергии частицы. Это значит, что весь объем образца .-занимает один домен.
В работе [l9J поверхностная энергия была завышена почти на два порядка и, как следствие, завышен критический размер однодо-менного состояния. Более точная оценка однодоменного состояния проведена Киттелем [20] для материалов с большой константой ани зотропии, Неелем [2і] для сферических частиц с малой анизотропией, Стонером и Вольфартом [22] . Строгий расчет критического размера был произведен Кондорским [23] и Брауном [24]. В [23] Кондорский показал, что для эллипсоидальных частиц условие абсолютной однодоменности определяется выражением:
R -малая полуось эллипсоида, \J\ -намагниченность насыщения материала, [\п-размагничивающий фактор вдоль малой оси частицы, А - параметр обменной энергии, Go -расстояние между атомами кубической решетки вдоль ребра куба. Постоянная С равна 1/2, I, 2 для простой, ОЦ и ГЦ кубических решеток соответственно.
Критический размер однодоменных частиц для различных мате-риалов изменяется от 10 до « ІСҐ А. Например, по оценке Кон дорского для сферических частиц железа и никеля наибольший ра 0 г 1 диус однодоменных частиц равен 170 и 390 А [ 23 J , а для интерметаллического соединения Мп В І (Тк = 650 С, К = І07 эрг/см3, &о = 5 IQ""8 см), бариевого феррита, так же с большой константой энергии анизотропии, критический радиус по оценке Киттеля на два порядка больше I04 А [25].
Размагничивающий фактор зависит не только от формы частиц, но и от их объемной концентрации. Для эллипсоидальных частиц с хаотически распределенными осями он определяется выражением [ 23]: где No-i t N02 " значения размагничивающих факторов вдоль длинной и короткой осей изожрованной частицы. Из ( I ), ( 2 ) следует, что с увеличением объемной концентрации частиц критический радиус однодоменности увеличивается. Так Морриш и Уатт [2б] определили верхний предел однодоменности магнетита при у 40 %, ко торый оказался равным 1000-2000 А для малой оси эллипсоида.
Определение намагниченности и градиентов магнитного поля
Для измерения намагниченности (М) вещества и напряженности (HQ) намагничивающего поля в исследованиях использован баллистический метод, основанный на измерении изменения потока магнитной индукции через измерительную катушку с помощью приборов Ф-І8 и Ф-І99.
Измерительная ячейка для определения зависимости намагниченности вещества от величины магнитного поля, представляет собой две идентичные, параллельно расположенные катушки Lt и L& , включенные навстречу друг-другу. Диаметр катушек 9,75 мм. Катушки содержат по 55 витков провода ПЭЛ-0,2, намотанных виток к витку. Для повышения точности измерений последовательно к ка - 50 тушкам подключен компенсационный виток, расположение которого регулируется в магнитном поле без измерительной ампулы. Длина ампулы 50 мм, внутренний диаметр 7,6 мм. При измерении намагниченности ампула с веществом помещается в одну из катушек L, или L , а измерительная ячейка поворачивается в однородном магнитном поле электромагнита ФЛ-І на 180. Так как магнитный поток изменится дважды, то намагниченность определяется при этом по формуле: М = Лф,/2/ о.5Д (2? ) где А ф1 -изменение магнитного потока в микровеберах (измерялось прибором Ф-І99), S, -площадь сечения ампулы, М - число витков катушки.
Для измерения величины напряженности намагничивающего поля Н0 измерительная ячейка содержит катушку L диаметром 6,57 мм. Катушка содержит 5 витков, намотанных проводом ПЭЛ-0,2. Она расположена на оси вращения системы, причем, ось находится в плоскости катушки и проходит через её центр. Напряженность магнитного поля Н0 определяется по изменению магнитного потока Дф2 через катушку L3 , регистрируемого прибором Ф-І8. Формула для определения Н0 имеет следующий вид: Н о =ДФа/2/-оЗаМ2 (28) 81] где N2 , S2 -число витков и площадь сечения катушки L3 . Напряженность поля измерялась также методом выдергивания измерительной катушки. Измерительная катушка в этом случае содержит 10 витков провода ПЭЛ-0,06, намотанных на рамке 20x5 мм.
При измерении напряженности и градиента напряженности магнитного поля использовались проводящая рамка и специальный зонд. Зонд представляет собой три миниатюрные катушки, которые распо - 51 ложены ортогонально друг от друга [82,83] . Выводы катушек скручены между собой и с помощью переключателя соединяются с прибором B4-I8. Используя три микровинта, зонд можно переме-щать вдоль осей X,y,Z . Определяя с помощью импульсного вольтметра B4-I8 э.д.с, наведенную переменным магнитным полем в измерительных катушках, находим амплитудное значение напряженности магнитного поля по формуле [84, c.I20j : Hm =t/jU0S 2Яі) (29) где о -э.д.с, наведенная в измерительной катушке, 5 -площадь сечения катушки, у -частота переменного магнитного поля. Частота переменного магнитного поля контролировалась цифровым частотометром 43-34.
Таким образом, перемещая измерительный зонд и последовательно подключая его измерительные катушки к прибору В4-І8, можно получить карту распределения составляющих напряженности магнитного поля в любой точке, то есть Н__ ., у {X,Y%Z ), как функ-ции координат. Из этого распределения определяют все 9 компонентов градиента магнитного поля в любой точке рабочей области. Измерительные катушки зонда содержат по 15 витков провода ПЭЛ-0,06. диаметр намотки равен 2,4 мм.
Измерение скорости распространения ультразвуковых колебаний Акустические методы уже давно успешно применяются в исследованиях молекулярной физики, физики твердого тела. С их помощью, например, исследуется электронная структура металлов, энгармонизм межатомных сил взаимодействия, структура и свойства дефектов. Поэтому этот метод был применен и для исследования двухфазных систем, какими являются магнитные суспензии.
Для выяснения влияния температуры, магнитного поля, кон -52 центрации твердой фазы на скорость распространения ультразвуковых колебаний нами была использована импульсная методика [85] и метод интерферометра. Анализ возможностей этих методов дан в работе Труэлла, Эльбаума и Чика [86] .
Блок-схема импульсной рабочей установки представлена на рис. 6. Генератор Г5-І5 2 осуществляет запуск ждущей развертки осциллографа 3 и двухканального генератора прямоугольных импульсов I типа Г5-4Б. Прямоугольный импульс первого канала генератора I подается на излучающий пьезоэлемент измерительной ячейки 6, который ударно возбуждается на собственной резонансной частоте. Ультразвуковой импульс, после прохождения через исследуемую среду преобразуется приемным пьезопреобразователем в электрический импульс, который после усиления широкополосным усилителем I типа УШ-10 подается на вход осциллографа СІ-48Б 3. Задержанный импульс второго канала генератора I подается на модулятор электроннолучевой трубки осциллографа и служит подвижной меткой времени. Скорость распространения ультразвуковых волн, при использовании данной методики, определяется соотношением С = кл- b L , где АС -длина акустического пути, ДТ -время полной задержки. В измерениях использованы две акустические ячейки, изготовленные из бронзы, но различные по форме. Одна из них имеет цилиндрическую форму с длиной 59,344 и диаметром 20 мм. Другая имеет форму куба. Расстояние между гранями, в окнах которых находятся пьезоэлементы, равно 24,886 мм.
Исследование влияния напряженности постоянного однородного магнитного поля на скорость распро странения ультразвуковых волн в магнитной жидкости
Результаты наших температурных исследований качественно согласуются с данными работ проведенных для Ж на основе керосина, воды, вакуумного масла. Дисперсной фазой служил магнетит. Однако точность исследований [102, ЮЗ] значительно ниже, чем в наших измерениях (она примерно составляет 30 м/с).
Необходимо отметить, что аналогичные исследования по зависимости С( Р) проделаны позже авторами работы [l04] . Некоторые предпосылки в этой работе, в частности, введение сжимаемости смеси керосин - олеиновая кислота, дискуссионны. Точность измерений составляет 0,5 % , что в пять раз ниже, чем в наших измерениях. Качественные результаты работы [I04J также подтверждают наши выводы.
Таким образом показано, что концентрация твердой фазы Ф и температура t сильно влияют на скорость распространения УЗВ в магнитной жидкости. В такой же мере это влияние распространяется на резонансную толщину слоя Ж преобразователя, причем, наиболее сильным фактором является концентрация, особенно в области её малых значений.
Из формулы (25) следует, что в области исследованных температур и концентраций резонансная толщина магнитожидкостного преобразователя в мегагерцнвом диапазоне частот, представляет тонкую пленку порядка «-с 0,1 мм.
Магнитные жидкости, благодаря своим уникальным свойствам, нашли широкое применение в науке и технике [l05-II7J . Однако многие из их физических свойств еще недостаточно изучены. Можно указать лишь небольшое число теоретических и эксперименталь ных работ по исследованию влияния магнитного поля на скорость распространения УЗВ в магнитной жидкости [l03, II8-I23J . Актуальность этих исследований вытекает из необходимости уточнения физической модели магнитной жидкости, разработки надежных методов контроля магнитожидкостных уплотнителей, а также выяснения возможностей использования МЖ в качестве преобразователя энергии электромагнитного поля в акустические колебания и прогнозировании его резонансных характеристик. В работе [I03J авторы сообщают, что при воздействии на суспензию частиц магнетита в керосине однородным и неоднородным магнитными полями до 600 Э не было обнаружено изменение скорости распространения ультразвуковых волн. Напротив, в [l2L;I23] приводятся данные по влиянию магнитного поля на скорость распространения ультразвука в жидкостях на основе воды и керосина. Причем величина изменения скорости больше значения, предсказанного теорией в Кг раз [123] . Для выяснения вопроса о влиянии магнитного поля на распространение ультразвука в магнитной жидкости нами была собрана установка по измерению скорости ультразвука им пульсным методом. Блок-схема установки представлена на рис.6 (глава 2). Измерительная акустическая ячейка изготовлена из бронзы и имеет форму куба. Грани его, в окнах которых находились пьезоэлементы, тщательно обрабатывались. Расстояние между ними замерялось вертикальным компаратором ИЗВ-2 и равнялось 24,886 мм при температуре проведения эксперимента. Измерительная ячейка, содержащая исследуемую жидкость, помещалась в однородное магнитное поле, создаваемое полюсами электромагнита ФЛ-І. Контроль за напряженностью магнитного поля осуществлялся баллистическим методом с помощью веберметра Ф-І8. Исследования проводились при атмосферном давлении и температуре 20С. Систематическая погрешность измерений после дополнительной градуировки генератора Г5-4Б с помощью измерителя малых промежутков времени И2-9А и частотомера 43-34 в режиме измерения времени не превышала I м/с.
Исследовалось несколько жидкостей на керосиновой основе и на основе масла приборного вазелинового (МПВ). Твердой фазой во всех жидкостях ЯВЛЯЙСЯ магнетит. Было обнаружено, что в некоторых из них эффект влияния магнитного поля на скорость распространения УЗВ был близок к нулю, напротив, в других полученных разбавлением экстракта магнитной жидкости, хранившегося несколь-лет, он был ощутим. Максимальное наблюдаемое изменение скорости УЗВ в них было равно АС 6-7 м/с. Одна из таких жидкостей, с намагниченностью насыщения 47 кА/м и была выбрана для исследований. Зависимость намагниченности от величины напряженности магнитного поля M(HoJ для этой жидкости приведена на рис.15.
Скорость ультразвука в магнитной жидкости измерялась без магнитного поля и в магнитном поле напряженностью 100 кА/м, при коллинеарном и перпендикулярном расположениях волнового вектора и вектора напряженности магнитного поля. В серии из пяти измерений была получена хорошая повторяемость измеряемых величин., Случайная погрешность не превышала 0,2 м/с. Усредненное значение величины скорости ультразвука в магнитной жидкости без магнитного поля С равняется 1135 м/с. В магнитном поле при кол-линеарном и перпендикулярном расположениях волнового вектора и вектора напряженности магнитного поля значения скоростей соответственно равны Сх - 1139 м/с и Су = Ц37 м/с. Из экспериментальных данных вытекает следующее: I) скорость ультразвука в магнитной жидкости, помещенной в магнитное поле, возрастает; 2) в магнитном поле наблюдается анизотропия скоростей.
Определение акустических характеристик магнито-жидкостного преобразователя
Сравним основные акустические параметры нашего магнито-акустического преобразователя с параметрами известных традиционных преобразователей.
К наиболее важной характеристике УЗ преобразователей относят коэффициент магнито-механической связи К, который является мерой пьезоактивности вещества [і] .Он равен отношению механической энергии к полной подводимой энергии [іб]. Его можно определить через отношение плотностей соответствующих энергий. Под плотностью механической энергии \д/м следует понимать плотность акустической энергии преобразователя. Под плотностью полной подводимой энергии \л/ , в нашем случае, - плотность энергии электромагнитного поля в рабочем зазоре преобразователя. К={ г- [13] (44) W =»Нт2 1.138] ( 45 ) где JA -магнитная проницаемость, Ет - амплитудное значение напряженности магнитного поля, Р -акустическое давление, развиваемо преобразователем, V - колебательная скорость частиц среды (гидродинамическая скорость), С -скорость звука в среде.
Учитывая (44), (45), получаем следующее выражение для коэффициента магнитомеханической связи: к = PV CjkoJU \\mz ( 46 )
Вследствие малости резонансной толщины магнитной жидкости ( 0,1 мм), определение акустического давления обычным методом, например, с помощью гидрофона затруднительно. Поэтому для определения ЇЇ, Р мы воспользовались сравнением акустических сигналов, от кварца, возбуждаемого переменным электрическим полем напряжением Ц с сигналом магнитной жидкости, возбуждаемой переменным магнитным полем Hm , той же частоты (2 МГц). Для расчетов удобно подбирать такое напряжение возбуждения кварца Ц , которое обеспечивает на экране осциллографа ту же амплитуду сигнала, что и при возбуждении магнитной жидкости магнитным полем напряженностью Н m . Это сравнение возможно, так как из проведенных исследований по определению резонансных свойств магнитожидкостного преобразователя [l34] следует, что добротность Ql такого преобразователя равна 8» что близко к добротности кварца при одностороннем излучении его в воду. Схема экспериментальной установки, изображенной на рис. 30 учитывает эту особенность.
Так как длина волны ультразвука в жидкости при \) = 2#Ю6 Гц значительно меньше размеров кварцевого преобразователя, диаметром 20 мм, то звукову волну, распространяющуюся в воде можно считать плоской. В таком случае волновое сопротивление будем считать действительным и равным 2 = С , где О , С -плотность воды и скорость звука в ней. Тогда звуковое давление, развиваемое [16] кварцем, равно р =Vz; (V=AcJ) ( 47 ) где СО -частота акустических колебаний. Известно, что смещение частиц при резонансе определяется из соотношения: А = & АСТв, где Асг - смещение в кварце при статическом воздействии электрическим полем напряженност Е. Статическое смещение можно определить, зная деформацию fc-dkjda. и толщину кварца а : Аст = &а [139, с. 152] Так как при отсутствии внешних механических напряжений деформация в пьезоактивном веществе определяется соотношением [із, с.287] . 6 -СІЕ где и -пьезомодуль, то амплитуда колебаний кварца при резонансе с учетом (47). определяется выражением: A = aUd , (48 ) где Ц -амплитудное значение напряжения возбуждения кварца.
Амплитуду колебаний магнитной жидкости определим из равенства интенсивностей упругих колебаний прошедших в стеклянную линию задержки 5 от кварцевой пластинки Зі и от пьезо-активного вещества J . Можно показать, что указанные интенсивности определяются выражениями:
Сравнительно небольшое значение коэффициента магнитомеха-нической связи объясняется малой объемной концентрацией пьезо-активного вещества ( Ф I0""1), возвратом части электромагнитной энергии в катушку возбуждения, диэлектрическими потерями. О возможных механизмах генерации упругих колебаний в дисперсной системе магнитных частиц, взвешенных в жидкости
Рассмотрим два дополнительных механизма возникновения вынуждающей силы, действующей на магнитную жидкость, помещенную в однородное постоянное магнитное поле Н0 при воздействии на нее переменным магнитным полем Нт с частотой и) . Это диполь-дипольное взаимодействие микрочастиц и их магнитострик-ция. Остановимся подробно на каждом из предложенных механизмов - no [140].
Диполь-дипольный механизм вынуждающей силы. Считаем, что в магнитном поле Н частицы объемом V имеют магнитный момент P = MsV , где Ms -спонтанная намагниченность диспергированного в жидкость ферромагнитного материала. Магнитные диполи выстраиваются вдоль поля, образуя подобие кристалла ( в геометрическом смысле) с частицами-узлами этой "решетки", разбавленными жидкой матрицей. Поверхностно активные вещества, покрывающие мономолекулярным слоем ферромагнитные частицы, предотвращают их слипание. В зависимости от приложенного поля устанавливается среднее значение дипольного момента, от которого зависит сила диполь-дипольного взаимодействия. При изменении этой силы в жидкости возникают вынужденные колебания. Определим характер этой силы.
Примем частицы кубическими с ребром d и легкой осью [iOO] . В этом случае расстояние между центрами частиц будет равно Z = A +d , где Л -наименьшее расстояние между частицами. В однородном магнитном поле ферромагнитные частицы ориентируются так, что средние диполи параллельны полю Н, что есть Р И Н, а Р 11(100/» . Для определения силы взаимодействия двух ближайших диполей воспользуемся соотношением, полученным нами в главе 3.2.
