Введение к работе
Актуальность темы. Данная работа посвящена исследованию акустического повеления системы, представляющей собой трубу, заполненную жидкостью. Цилиндрические оболочки, содержащие упру-гую среду, широко применяются практически во всех отраслях науки и техники. Е трубах, заполненных жидкостью, удобно производить измерения акустических параметров' различных образцов. Отличительную! особенностями, характеризующими волновые процессы в жидкости е трубе, являются: наличие дисперсии скорости звука, обусловленной влиянием стенок трубы, а так же возбуждение' на определенных частотах высшие мод колебаний, имеющих фазовые скорости, превосходящие в десятки раз скорость звука в свободной жидкости.
В конструкции интерферометров,' служащих для определения скоррсти звука в жидкости, часто входит в качестве контейнера, содержащего исследуемое вещество, труба, стенки которой оказывают существенное влияние на результаты измерений. Поэтому необходимо зносить поправки в данные эксперимента, опираясь на надежную, проверенную экспериментально, теоретическую модель, позволяющую расчитывать скорость" звука в системе жидкость- тру-ба для различных частот.
Вместе с тем, данные экспериментальных исследований скорости звука в гкидкрети, заполняющей трубу, имеющиеся в литературе, немногочисленны и несистематичны. Поэтому не представляется возможным выбор наиболее адекватной из существующих теорий. Это ставит задачу проведения такого рода исследований.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с проектами Грантов "Электро- магнитоакустичесхие методы исследования поляризующихся жидких сред" (шифр 94-5.4-1005), 199.1 г. и "Исследование дисперсии скорости звука ' в системе оболочка- жидкость акустомагнитным методом" (шифр 95-0-5.6-Ю) , 1S96 г. Госкомитета РФ по высшему образованию.
Целью работы является развитие и дальнейшее обоснование" методики измерения скорости звука в трубах с жидкостью с использованием акустсмагнитного метода индикации упругих колебаний; математическое моделирование акусто- шгнигного зффехта для магнитожидкосткого щушндрл, на длина которого укладывается нес-
колько длин волн стоячей звуковой волны; систематическое экспериментальное исследование дисперсии скорости звука в системе жидкость- труба с применением нового, не использовавшегося ра-
г,
-нее и дающего ряд преимуществ перед традиционными способами, акустомагнитного метода индикации упругих колебаний; использование цилиндрических оболочек в возможно Оолее широком диапазоне упругостных и геометрических параметров, заполненных магнитными жидкостями (MX) с различными свойствами; проверка на согласование с полученными экспериментальными результатами имевшихся в литературе теорий, списывающих распространение звука в трубе, содержащей жидкость.
Научная новизна диссертации заключается в следующем:
Отсутствовавшие ранее в литературе результаты систематического экспериментального исследования дисперсии скорости звука в системе жидкость- цилиндрическая оболочка для оболочек с различными геометрическими и упругостными параметрами подтверждают влияние податливости стенок, выражающееся в падении скорости плоской волны в заполняющей трубу жидкости с ростом частоты.
Экспериментально обнаруженное наличие высших мод колебаний в трубах с жидкостью, значения фазовой скорости которых в десятки раз превосходят скорость звука в свободной среде, согласуется с выводами'теорий, основанных на "сшивании" уравнений движения жидкости с уравнениями колебаний оболочки. Установлено, что скорость высших мод колебаний при возрастании частоты спадает быстрее, чем это предсказывается наиболее адекватной теорией.
Результаты не производившихся ранее исследований дисперсии скорости звука в жидкости, заполняющей керамическую, фторопластовую, ряд полисгиролоаых оболочек и оболочку из оргстекла, обнаруживают дисперсию плоской волны, наличие высших мод колебаний и качественно согласуются с выводами наиболее адекватной из существующих теорий.
Достоверность результатов экспериментальных исследований подтверждается сравнением с приводимыми .в литературе данными измерений скорости звука в такого рода системах, а так асе разработанной методикой измерения скорости звука и оценки погрешности эксперимента, основанной на анализе функции распределения ошибки измерений с применением критериев Колмогорова и Пир-
сона для каждого замера скорости звука. Надежность расчётов, по теоретическим моделям проверялась контрольными расчетами с использованием исходных данных и результатов авторов теорий.
Практическая ценность диссертации заключается в следуивем:
С помошью выбранной на основе эксперимента теоретической модели получена возможность достаточно удовлетворительного расчета дисперсионного поведения и частотного спектра колебаний трубы с жидкостью, что может позволить при проектировании различных технических устройств снизить объем экспериментальных затрат.
Разработанная экспериментальная методика мажет быть применена для произведения измерений в различного рода "системах, в том числе в таких,, в которых получение теоретических результатов представляется затруднительным.
Создана программа расчета дисперсии скорости звука в трубе для IBM- совместимых компьютеров. Входными данными служат упругие и геометрические параметры трубы и жидкости.
Магнитожидкостный интерферометр, представляющий собой изме
ненный вариант экспериментальной установки, может применяться в
лабораторном практикуме студентов для демонстрации волновых яв
лений.
Автор выносит на защиту:
-
Акустомагнитный метод идентификации монохроматических полос дисперсионного спектра мод упругих колебаний в системе цилиндрическая.оболочка- жидкость и экспериментальную установку.
-
Результаты, систематических экспериментальных исследований дисперсии скорости звука в жидкости, заполняющей цилиндрические оболочки с широким спектром геометрических и упругост-ных параметров на основе нового акустомагнитного метода индикации упругих колебаний, согласно которым установлено паление скорости звука плоской волны в трубе с ростом частоты, подтверждающее влияние податливости стенок трубы, а так же присутствие в системе высших мод упругих колебаний, имеютих фнзову» скорость, в десятки раз превышающую! скорость звука » свободной среде.
3. Результаты анализа существующих теоретических моделей и выбор на осноеє сравнения с полученными экспериментальными дан-
ными наиболее адекватной модели, основанной на сшивании уравнений колебаний оболочки с уравнениями движения жидкости.
Апробация работы: Материалы диссетрации представлялись на Курской- конференции по вибрационным машинам и технологиям (г. Курск, 1993 г.), на научном семинаре кафедры физики с- Петербургского государственного университета (1995 г.) и на 7-й международной Плес-ской конференции по магнитным жидкостям (г. Плес, 1996 г.).
Публикации:
Основные результаты, представленные в диссертации, опубликованы в б работах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка цитируемой литературы и 3-х приложений. Работа изложена на 165 страницах и содержит 58 рисунков, 25 таблиц и 87 наименований цитируемой литературы.