Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Магнитные жидкости - продукт современных нанотехнологий 10
1.1. Методы синтезирования магнитных жидкостей 10
1.2. Реология и структура реальных магнитных жидкостей 12
1.3. Структура и магнитные свойства 14
1.4. Структура и акустические свойства 18
1.5. Выводы 26
Глава 2. Методика измерений и экспериментальный комплекс 28
2.1. Методика и экспериментальная установка для ультраакустической импульсной диагностики структуры магнитных жидкостей 28
2.2. Разработка акустомагнитного метода и экспериментальной установки для исследования эволюции структуры магнитного коллоида 38
2.2.1. Сущность акустомагнитного эффекта
2.2.2. Вывод формулы для оценки амплитуды АМЭ в поперечном магнитном поле и ее экспериментальная проверка 44
2.2.3. Разработка оптимальных условий для диагностики эволюции структуры магнитной жидкости 48
2.3. Выводы 61
Глава 3. Результаты экспериментальных исследований 62
3.1. Физические характеристики объектов исследования 62
3.2. Особенности прохождения ультразвукового импульса через слой МЖ при длительном воздействии магнитного поля заданного направления .71
3.3. Эволюция формы огибающей ультразвукового импульса при однократном и многократном вращении магнитного поля 74
3.4. Результаты измерений амплитуды АМЭ при длительном воздействии на МЖ магнитного поля 81
3.5. Выводы 90
Глава 4. Анализ полученных экспериментальных данных, предполагаемая модель структурных превращений 91
4.1. Модуляция акустических и электромагнитных импульсов при распространении и диспергировании в нелинейных средах 91
4.2. Обоснование акустической нелинейности магнитных жидкостей 93
4.3. О возможной природе дисперсии скорости звука в МЖ 98
4.4. Обоснование физического механизма медленной перестройки структуры магнитной жидкости 106
4.5. Резонансные колебания жестких цепочечных агрегатов в магнитном поле 109
4.6. Выводы 112
Заключение 114
Благодарности 116
Список литературы 117
- Реология и структура реальных магнитных жидкостей
- Разработка акустомагнитного метода и экспериментальной установки для исследования эволюции структуры магнитного коллоида
- Особенности прохождения ультразвукового импульса через слой МЖ при длительном воздействии магнитного поля заданного направления
- Обоснование акустической нелинейности магнитных жидкостей
Введение к работе
Актуальность работы. На стыке наук молекулярной физики, физики магнитных явлений и коллоидной химии были синтезированы магнитные жидкости (МЖ) - устойчивые магнитные коллоиды. Полученные дисперсные среды характеризуются сочетанием "взаимоисключающих" свойств - хорошей текучестью и высокой намагниченностью, что делает их привлекательными объектами для исследования и открывает широкие возможности практического использования.
Важной особенностью магнитных коллоидов, в отличие от большинства известных магнитных систем, является свобода поступательного перемещения ферромагнитных частиц, которая предопределяет возможность структурных превращений - изменение характера магнитного упорядочения и пространственного расположения частиц в жидкости. Наблюдающиеся в МЖ акустомагнитный, магнито- и электрооптические эффекты во многом определяются свойствами однодоменных частиц, диспергированных в жидкости -носителе, их диполь-дипольным взаимодействием. В реальных условиях структурные превращения существенно зависят от гранулометрического состава, внешних условий - величины и продолжительности воздействия магнитного поля, динамической деформации объема жидкости и температуры.
Кратковременное воздействие магнитного поля на структуру МЖ достаточно хорошо изучено, однако в последние годы в работах Б.И. Кузина, В.В. Соколова, В.М. Полунина, Т.И. Аксеновой, А.В. Карелина получены данные, свидетельствующие о том, что перестройка структуры реальных МЖ может протекать в течение нескольких суток. Эти факты должны быть учтены при оценке работоспособности устройств с применением МЖ.
Поэтому для прогнозирования свойств МЖ и успешного внедрения их в промышленность являются актуальными исследования влияния длительного воздействия магнитного поля на процессы перестройки структуры МЖ.
К числу наиболее эффективных методов экспериментального исследования структурных перестроек в МЖ относятся методы ультраакустики, которые весьма информативны, поскольку опираются на теоретические основы молекулярной акустики, и вместе с тем пригодны для изучения оптически непрозрачных сред.
Исследование механизмов структурных перестроек в намагниченных магнитных коллоидах, характеризуемых различной длительностью протекания, представляет интерес для нескольких отраслей науки: физики конденсированного состояния, физической химии, магнитной гидродинамики, физической акустики.
Целью диссертационной работы является экспериментальное исследование эволюции структуры магнитной жидкости при длительном воздействии магнитного поля на основе методов ультраакустики.
Задачи научного исследования:
разработать экспериментальный комплекс (система двух установок) для акустического зондирования структуры МЖ на основе импульсной методики постоянной базы и акустомагнитного эффекта (АМЭ) при длительном воздействии магнитного поля в заданном направлении Н по отношению к волновому вектору к, с возможностью последующего вращения Н;
получить выражение для оценки амплитуды акустомагнитного эффекта в поперечном к направлению распространения плоской звуковой волны в МЖ магнитном поле, содержащее зависимость от угла ср, образованного направлениями вектора Н и нормали п к поверхности проводящего контура;
определить оптимальные условия для наблюдения эволюции структуры МЖ на основе акустомагнитного эффекта в поперечном к магнитожидкост-ному столбику магнитном поле, как в отношении учета специфики резонанса контура, индуктивностью которого служит проводящая рамка, так и в отношении целесообразности использования вращающегося магнитного поля, оптимального выбора расположения проводящей рамки;
получить полярную диаграмму экспериментальной зависимости амплитуды є индуцируемой ЭДС от угла ср и сопоставить результаты с зависимостью, предсказываемой модельной теорией;
изучить эволюцию амплитуды U ультразвукового импульса, прошедшего через слой намагниченной МЖ, и изменение формы импульса при длительном воздействии магнитного поля (до нескольких суток);
изучить характер изменения формы огибающей ультразвукового импульса, прошедшего через слой МЖ после длительного пребывания ее в магнитном
поле, при постепенном увеличении угла между Ники при многократном вращении магнитного поля;
произвести измерения временной зависимости амплитуды АМЭ в процессе длительного намагничивания МЖ и ее изменений при повороте Н на угол (р = ж,ъ также при многократном вращении Н;
предположить вероятный физический механизм структурных перестроек в исследованных магнитных жидкостях, протекающий при длительном пребывании их в магнитном поле.
Научная новизна диссертации:
Проведены исследования эволюции структуры магнитной жидкости на экспериментальном комплексе, состоящем из двух установок, принцип действия которых основан на зондировании структуры магнитного коллоида ультраакустическим импульсным методом и использовании акустомагнитно-го эффекта, при длительном воздействии постоянного магнитного поля с последующим вращением его.
Обоснована методика и определены оптимальные условия для наблюдения эволюции структуры МЖ при длительном воздействии магнитного поля на основе акустомагнитного эффекта.
Получены неизвестные ранее данные об изменении формы огибающей ультразвукового импульса, прошедшего через магнитную жидкость при длительном воздействии на нее магнитного поля и закономерностях измене-
ния геометрии огибающей (формы видеоимпульса) в процессе однократного (постепенного) и многократного вращения магнитного поля.
Получены неизвестные ранее данные об изменении амплитуды АМЭ, индуцируемой в проводящей рамке, установленной под углом к Н близким к прямому, при длительном воздействии магнитного ПОЛЯ.
На основе анализа полученных экспериментальных и теоретических данных и результатов известных теоретических исследований сформулировано предположение о вероятном физическом механизме медленнотекущих структурных перестроек в МЖ, определяющем специфические акустические и акустомагнитные эффекты в них, модель резонансной дисперсии в МЖ.
На защиту диссертационной работы выносятся следующие положения:
Методика и экспериментальный комплекс, разработанный для исследования эволюции структуры МЖ при длительном воздействии магнитного поля.
Экспериментальные данные об изменении формы огибающей ультразвукового импульса, прошедшего через слой МЖ при длительном воздействии на нее магнитного поля и закономерности изменения формы видеоимпульса в процессе постепенного (однократного) и многократного вращения магнитного поля.
Экспериментальные данные об изменении амплитуды АМЭ, индуцируемой в проводящей рамке, установленной под углом к направлению магнитного поля близким к прямому, при длительном воздействии магнитного поля.
Обоснование предположения о вероятной физической природе механизма медленнотекущих структурных перестроек в МЖ, определяющего специфические акустические и акустомагнитные эффекты в них, модель резонансной дисперсии в МЖ.
Достоверность экспериментальных исследований подтверждается: проведением опытов с использованием надежной экспериментальной мето-
дики; использованием поверенной измерительной техники; получением большого массива экспериментальных данных; совпадением данных нескольких независимых между собой экспериментов, проведенных на одних и тех же образцах; удовлетворительным согласием между выводами модельной теории и результатами полученными экспериментально.
Научная и практическая ценность диссертации заключается в возможности использования разработанной методики и экспериментального комплекса для исследования спектра времен перестройки структуры реальных МЖ, совершенствования технологии синтезирования магнитных коллоидов с заданными магнитными и акустическими свойствами. Полученные результаты исследования структурных свойств МЖ существенно дополняют известные идеализированные представления о магнитных коллоидах как суперпарамагнетиках.
Апробация работы. Материалы диссертации представлялись на 7-ой Всероссийской научной конференции студентов-радиофизиков (Санкт-Петербург, 2003 г.), на 11-ой Международной Плесской конференции по магнитным жидкостям (Иваново, 2004 г.), на 13-ой, 15-ой и 16-ой сессиях Российского акустического общества (Москва, 2002 г., Н.Новгород, 2004 г., Москва, 2005 г.), на 6-ой и 7-ой Международных научно-технических конференциях «Вибрационные машины и технологии» (Курск, 2003 г. и 2005 г.), на 32-ой вузовской научно-технической конференции в области научных исследований «Молодежь и XXI век» (Курск, 2004 г.), на 11-ой Всероссийской научной конференции студентов-физиков (Екатеринбург, 2005 г.).
Публикации: основные результаты, представленные в диссертации, опубликованы в 14 работах.
Личный вклад автора: разработана методика и создан экспериментальный комплекс для проведения ультразвуковой диагностики эволюции структуры МЖ, обусловленной длительным воздействием магнитного поля; выполнен весь объем экспериментальных исследований; сформулированы положения, выносимые на защиту, основные результаты и выводы.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 132 страницах и содержит 39 рисунков, 4 таблицы и 155 наименований цитируемой литературы.
Реология и структура реальных магнитных жидкостей
В отсутствие магнитного поля [10, 11] в реальных МЖ могут существовать агрегаты в виде цепочек из ферромагнитных частиц, кластеров, микрокапельных агрегатов. При включении магнитного поля эти образования ведут себя соответствующим образом: цепочечные агрегаты выстраиваются по полю, кластеры разворачиваются вдоль поля, микрокапельные агрегаты деформируются, выстраиваясь в направлении поля.
Указанные процессы перестройки структуры требуют определенного времени, поэтому при включении магнитного поля происходит постепенное изменение реологических свойств, зависимости коэффициента сдвиговой вязкости от времени, появляется анизотропия вязкости.
Вне магнитного поля магнитная жидкость представляет собой обычный коллоидный раствор. В этом случае вязкость зависит от содержания дисперсной фазы [2, 12, 13]. Наличие коллоидных частиц в жидкости приводит к увеличению внутреннего трения при её движении, т.е. к увеличению её вязкости.
Реальные МЖ могут значительно отличаться от простейшей модели, представляющей частицы в виде невзаимодействующих монодисперсных шариков. Их вязкость может зависеть от предыстории образца [17, 18] (т.е. от предварительных внешних воздействий, таких как перемешивание и омагни-чивание) и от скорости сдвига. В случае агрегирования магнитной жидкости происходит рост эффективной гидродинамической концентрации. Кроме того, крупные структуры могут пронизывать весь объём МЖ и тормозиться его границами. Оба механизма приводят к увеличению вязкости по сравнению с вязкостью, определяемой по формуле (1.1), и нелинейной зависимости вязких напряжений от скоростей деформаций [10, 17, 19].
Наиболее вероятной причиной аномально высокой вязкости феррокол-лоидов, является высокое содержание в жидкости квазисферических агрегатов. С увеличением скорости сдвига в МЖ снижается вероятность существования устойчивых агрегатов и МЖ приближается по поведению к ньютоновской жидкости с постоянной вязкостью при различных скоростях течения. При малой скорости сдвига поведение МЖ становится неныотоновским и тем более сильно отклоняется от ньютоновского, чем меньше скорость сдвига и больше объёмная доля твёрдой фазы в МЖ.
Неньютоновские среды обычно характеризуют зависимостью напряжения сдвига г от скорости сдвига Y [10, 20] . Обнаружено, что поведение МЖ при малых скоростях сдвига (Y »10_1 с) и относительно высоких объёмных долях твёрдой фазы ( pt 0,1) удовлетворительно аппроксимируется реологической моделью Бингама- Шведова : где т 0 - начальное напряжение сдвига, rjt - коэффициент пропорциональности, соответствующий пластической вязкости. Начальное напряжение сдвига увеличивается с ростом концентрации твёрдой фазы и напряжённости внешнего магнитного поля, а уменьшается с ростом температуры. С ростом напряжённости поля течение жидкости отклоняется от ньютоновского, и к ориентирующему действию поля добавляется другой механизм, влияющий на реологию МЖ. Этот механизм, по-видимому, связан с образованием и движением агрегатов частиц в МЖ, зависящим от напряжённости поля и концентрации частиц. Это подтверждает тот факт, что главной причиной неньютоновского поведения МЖ является взаимодействие частиц и их агрегирование.
Таким образом, реологические свойства МЖ весьма разнообразны. Они зависят от состава, способа получения и последующей очистки от крупных частиц и примесей, от магнитной предыстории МЖ. Только многочисленные исследования вязкости покажут, к какому типу можно будет отнести магнитные жидкости: ньютоновскому или неныотоновскому.
Взаимодействие частиц в магнитных коллоидах при определенных условиях приводит к образованию структуры из феррочастиц - флокул, гранул, цепей, кластеров, пространственной сетки, каплеобразных агрегатов [1, 10, 21 - 27], которая существенным образом сказывается на магнитных свойствах МЖ. Два механизма способствуют коагуляции магнитных коллоидов -молекулярное притяжение между взвешенными частицами и специфическое для феррочастиц диполь-дипольное взаимодействие.
При П 1 частицы уже могут образовывать агрегаты, форма и структура которых определяется минимумом магнитостатической энергии, влиянием поверхностных сил. Интенсивное перемешивание разрушает неустойчивые структуры и приводит к образованию гранул [27] сферической формы. Размер гранул определяется соотношением магнитодипольных и поверхностных сил взаимодействия частиц, а также видом и временем перемешивания. При П 1 броуновское движение препятствует образованию агрегатов.
Процесс намагничивания МЖ определяется двумя механизмами ориентации магнитных моментов феррочастиц вдоль поля. Один механизм связан с броуновским вращательным движением частиц в жидкости-основе. Оригинальный метод исследования структуры МЖ по броуновскому движению частиц твердой фазы разработан В.В. Чекановым [28]. Другой механизм обусловлен тепловыми флуктуациями магнитного момента внутри самой частицы [1]. Наибольшее влияние на намагниченность оказывает тот механизм, время релаксации которого меньше. В работе [29] получено уравнение, описывающее совместную вращательную диффузию магнитного момента и одноосной феррочастицы в жидкости. Существенное влияние на время релаксации оказывает агрегированность магнитных жидкостей. Наличие агрегатов твердых частиц может приводить к изменению времени релаксации на три порядка.
Разработка акустомагнитного метода и экспериментальной установки для исследования эволюции структуры магнитного коллоида
Для акустического зондирования эволюции структуры МЖ методом вращающегося магнитного поля была разработана установка, позволяющая производить измерения в интервале частот 10-70 кГц, в основу которой положен акустомагнитный эффект [89, 90]. Принципиальная блок-схема установки представлена на рис.2.4. На рис. 2.5 приведена фотография экспериментальной установки.
Стеклянная трубка 1 (внутренним диаметром 9,6 мм), заполненная магнитной жидкостью 2 до высоты около 270 мм, расположена вертикально. Источником звуковых колебаний (излучателем) является пьезоэлектрическая пластина 3, на которую подается переменное электрическое напряжение заданной частоты v с генератора 4 (ГЗ - 33). Резонансная частота пьезопла-стинки 2МГц, диапазон исследуемых частот 10-70 кГц. Частота контролировалась электронно-счетным частотомером 5 (43 - 33), а напряжение вольтметром 6 (В7 - 28). Упругие волны через волновод 7 распространяются в МЖ. Две катушки индуктивности 8а и 86, намотанные "по и против часовой стрелки" соединены последовательно и размещены в непосредственной близости от внешней поверхности трубки. Первая катушка 8а жестко связана с кинематическим узлом катетометра 9 (В - 630) и перемещается вдоль столбика магнитной жидкости с точностью 0,01 мм. Вторая катушка 86 смещается относительно первой вдоль трубки с МЖ до получения максимального АМЭ. Переменная ЭДС с катушек поступает на вход осциллографа 10 (С 1 -117).
В магнитном и ультразвуковом полях МЖ приобретают новое свойство - излучение электромагнитной волны. Впервые этот эффект, названный аку-стомагнитным, был описан в работах В.М. Полунина [91, 92] и независимо В.В. Соколова [93]. В процессе распространения в намагниченной МЖ акустической волны, за счет колебаний концентраций феррочастиц и температуры, а также кинетики агрегатов, в жидкости-носителе происходят возмущения намагниченности и размагничивающего поля. В результате их конкуренции и наблюдается АМЭ. Этот эффект позволяет принимать акустические колебания и исследовать индукционным методом акустическое поле в МЖ. В нашем исследовании мы воспользовались акустомагнитным эффектом для измерения временной зависимости амплитуды АМЭ в процессе длительного намагничивания МЖ и ее изменений при повороте магнитного поля на угол ср = к, а также при многократном вращении магнитного поля.
Методика экспериментального исследования АМЭ базируется на использовании плоской звуковой волны. С точки зрения простоты получения плоской звуковой волны в диапазоне низких ультразвуковых частот 10-70 кГц и последующего намагничивания жидкости наиболее приемлемой оказывается методика, сущность которой заключается в следующем. Цилиндрическая труба из немагнитного и неэлектропроводного материала заполняется МЖ, затем помещается частично или полностью в поперечное или продольное магнитное поле, после чего в жидкость вводится звуковая волна. Индуцируемое в жидкости неоднородное в пространстве и переменное во времени магнитное поле воспринимается измерительной катушкой индуктивности, переменная ЭДС с которой прямо поступает на осциллограф.
В цилиндрической трубе определенного радиуса в зависимости от воз буждения могут существовать различные моды нормальных волн [94, 95]. Если частота колебаний меньше наименьшей критической [96 - 98], то в трубе могут существовать только плоские волны, которые распространяются с фазовой скоростью, не зависящей от частоты. Труба по отношению к этим волнам считается узкой. Критерий распространения в круглой трубе чистой плоской волны заключается в выполнении неравенства: RT 0,61 Л. где RT - радиус трубки (цилиндра), Л - длина звуковой волны. Если, например, RT = 0,5 -10 2 м, с = 103 м/с, то критическая частота составляет 122 кГц, следовательно, можно рассчитывать на получение плоской волны на частотах ниже 122 кГц.
Особенности прохождения ультразвукового импульса через слой МЖ при длительном воздействии магнитного поля заданного направления
Известно достаточно большое число научных публикаций, посвященных исследованию перестройки структуры магнитных жидкостей, помещенных в магнитное поле, методами ультраакустики, о чем говорилось в п. 1.4. Скорость распространения ультразвуковых волн, коэффициент поглощения ультразвука или относительная амплитуда, прошедшего через исследуемый образец зондирующего импульса, измерялись в магнитной жидкости, находящейся в магнитном поле в течение непродолжительного времени (как правило, до 30 мин.). Между тем, как с практической точки зрения, так и с позиций современных представлений о структуре реальных магнитных жидкостей представляет интерес ультразвуковое зондирование относительно устойчивых жидкостей при длительном (несколько суток) воздействии магнитного поля.
Наблюдения за изменением амплитуды ультразвуковых импульсов при прохождении через намагниченную МЖ были проведены на образце - МЖ-2. Предварительно проверялась на стабильность работы экспериментальная установка. Для этого в ячейку заливался керосин, и она помещалась в магнитное поле между полюсами постоянного магнита. В течение месяца не было обнаружено никакого изменения амплитуды импульса на экране осциллографа. После этой проверки экспериментальной установки в акустическую ячейку заливались по очереди исследуемые образцы МЖ и выдерживались в течение месяца вне магнитного поля. В этом случае тоже никаких изменений амплитуды сигнала на экране осциллографа не было замечено, т. е. в отсутствии магнитного поля исследуемые образцы МЖ отличаются достаточной устойчивостью. После этого МЖ-2 была внесена в однородное магнитное поле сЯ = 122 кА/м, начальный угол между векторами Н и к 3 = 90, эксперимент проводился при комнатной температуре 19 С [84].
В ходе эксперимента обнаружилось значительное уменьшение амплитуды ультразвукового импульса за время г «80-85 час. и немонотонный характер угловой зависимости Ла, что в общих чертах согласуется с полученными данными в работе [70]. Спустя т «150 часов с момента начала эксперимента при дополнительном усилении сигнала в приемнике, обеспечиваемом регулировкой входного аттенюатора, для определенных углов $ отчетливо наблюдается изменение формы видеоимпульса.
Результаты эксперимента до изменения формы видеоимпульса приведены на рис. 3.23. Треугольниками представлены результаты измерения относительной амплитуды видеоимпульса U/Umax, а квадратами - приращение коэффициента поглощения Ла, вычисленное по формуле (2.9). В поставленном эксперименте время образования структуры составляет несколько суток.
В ранее опубликованных работах [62, 70, 109 - 112] и др. о подобном эффекте не сообщалось. Дополнительное поглощение ультразвука связано с изменением структуры МЖ [62, 109]. Под влиянием магнитного поля образуются цепочечные агрегаты из феррочастиц. Звуковая волна при прохождении через дисперсную систему частично поглощается и рассеивается на агрегатах. Тот факт, что Ла приближается к равновесному значению в течение нескольких суток, свидетельствует об относительно малой скорости процесса структурообразования.
Изучены закономерности изменения формы видеоимпульса при постепенном [84] увеличении угла между Ники при многократном вращении магнитного поля [113]. Спустя г «150 час. для МЖ-2 пребывания в магнитном поле в процессе однократного его вращения по часовой стрелке изменяется форма видеоимпульса прошедшего через слой МЖ, т.е. происходит управляемая модуляция ультразвукового импульса. На углах 130 - 160 в средней части видеоимпульса появляется «провал», который вновь наблюдается на углах 210 -240, однако, в первом случае «провал» перемещается справа - налево, а во втором в обратном направлении. На рис. 3.24 представлены осциллограммы прошедшего через и МЖ-2 ультразвукового импульса для указанных значений &. Начальный угол 8 = 90, эксперимент проводился при комнатной температуре 20 С. Цена деления по Y - 0,5 В/дел, по X - 5 мкс/дел.
Следует отметить несколько особенностей обнаруженного эффекта: с уменьшением амплитуды зондирующего импульса в несколько раз, амплитуда принятого видеоимпульса так же уменьшается, сохраняя свою форму; усиление сигнала в приемнике сопровождается появлением в начале развертки зондирующего импульса (наводки) и увеличением принятого видеоимпульса, однако, по мере выхода за границу динамического диапазона его форма искажается; при удалении кюветы из магнитного поля «провал» пропадает, а амплитуда сигнала возрастает, хотя и не достигает первоначального уровня; многократное (до 20-30 раз).
Обоснование акустической нелинейности магнитных жидкостей
Теперь перейдем к рассмотрению, вследствие чего при распространении волны в нелинейной среде может меняться ее форма. Из раздела физики волн изучающей нелинейные эффекты известно, что в процессе распространения продольной звуковой волны в газе, жидкости и твердом теле с расстоянием изменяется форма волны (синусоидальная волна может выродиться в пилообразную). Происходит деформация с течением времени, поскольку гребень волны догоняет области с меньшей плотностью, давлением и температурой. Локальная скорость звука в звуковой волне зависит от давления и плотности, т.е. скорость звука больше там, где больше плотность и давление. Чем сильнее зависит скорость от давления, тем быстрее с расстоянием искажается форма волны. В этом случае для описания распространения волн в нелинейных системах необходимо пользоваться нелинейным волновым уравнением. При этом возникает зависимость фазовой скорости волны от ее амплитуды и форма волны по мере ее распространения изменяется. Искажение формы волны связано с изменением ее спектра, который обогащается гармониками, принцип суперпозиции в этих системах не выполняется. Таким образом, нелинейность приводит к генерации гармоник.
Магнитные жидкости по своей природе являются нелинейными средами, уровень акустической нелинейности МЖ в значительной мере определяется параметром нелинейности жидкости-носителя и концентрацией твердой фазы, при этом нелинейность усиливается с ростом концентрации частиц.
В работе [65] нелинейные акустические свойства МЖ определяются через параметр Гн. Согласно определению нелинейный параметр есть отношение коэффициентов при квадратичном и линейном членах в выражении для адиабатного уравнения состояния жидкости [128, 129], т.е.
Искажение формы волны проявляется тем сильнее, чем больше параметр нелинейности. Параметр Гн может быть экспериментально определен по степени искажения ультразвуковой волны конечной амплитуды, по интенсивности ее второй гармоники [132], для чего используются преимущественно оптические методы, пригодные в случае оптически прозрачных сред и, следовательно, непригодные для исследования МЖ.
Для получения функциональной зависимости скорости распространения звуковых волн в МЖ от концентрации твердой фазы можно использовать, разработанную В.М. Полуниным, аддитивную модель формирования упругости для дисперсных сред [134 - 138]. Сравнение расчетных данных, полученных на основе аддитивной модели, с экспериментом позволит сделать определенные выводы о пригодности этой модели к МЖ, об адиабатной сжимаемости компонент магнитного коллоида. Кроме того, указанная функциональная зависимость может быть использована для количественной оценки скорости звука и ее производных по концентрации, температуре и давлению применительно к различным МЖ. В дальнейшем будем обозначать скорость звука в случае адиабатного «макроскопически» и адиабатного «микроскопически» процесса css, а в случае адиабатно - изотермического процесса cST.
Аддитивная модель, как мы видим, предсказывает убывание барического коэффициента скорости с концентрацией твердой фазы (образцы № 1 -6), этот вывод был сделан в работе [140]. И в данном случае аддитивная модель удовлетворительно согласуется с экспериментом, предсказывая правильную тенденцию изменения барического коэффициента скорости с концентрацией. Воспользовавшись соотношением (4.14) и данными по зависимости скорости звука от давления можно вычислить параметр нелинейности Ги [131, 132, 141]. Результаты расчета относительного изменения параметра нелинейности rH/THf приведены в таблице 4.4. для образца МЖ с р = 1042 кг/м , с = 1279 м/с, ср, =11,9% расчет выполнен по данным работы [130], причем внесены коррективы в значение р0 и с0 соответственно изменению температуры от 30С до 14,5С. В исследованном интервале изменения ср. происходит возрастание Гн почти в 1,5 раза. Экспериментальная работа [142], посвящена изучению нелинейного акустического параметра МЖ на основе магнетита и керосина. Представленные в данной работе данные относятся к температуре 40С. В таблице 4.4 приведены значения /?г - относительное изменение параметра Ги, полученные по усредненной экспериментальной кривой зависимости Гн (ср,). Учитывая различия в температуре, можно констатировать качественное сходство зависимостей.
