Магнитожидкостная мембрана

С точки зрения создания МЖИ, функционирующего на нижней границе звукового диапазона частот, представляют интерес сообщения [27-30, 214-217], в которых описываются колебательные системы с управляемыми магнитожидкостными вставками. В частности, в работах [28-30, 215-218] исследуется колебательная система с магнитожидкостным инерционным элементом, подпружиненным изолированной газовой полостью и упругостью пондеромоторного типа. Такую систему можно рассматривать как магнитожидкостную мембрану (МЖМ), наделенную свойством приема-излучения звуковых и электромагнитных импульсов.

МЖМ представляет собой каплю магнитного коллоида, перекрывающую сечение трубки c внутренним диаметром ~ 1,5 см благодаря стабилизирующему действию неоднородного магнитного поля. При наличии в трубке донышка магнитожидкостная перемычка изолирует находящуюся под ней воздушную полость. В данном случае МЖ функционирует как несжимаемая среда, и существенными становятся такие ее свойства, как магнитоуправляемость свободной поверхности, текучесть, инертность [36].

Поскольку в условиях отсутствия гравитации и капиллярных сил форма поверхности капли магнитной жидкости определяется параметрами магнитного поля [58, 59], то вслед за принудительным разрывом перемычки (например, за счет создания перепада давления) происходит восстановление ее сплошности. Следовательно, в отличие от «обычных» жидкостных пленок, МЖМ обладает способностью к самовосстановлению.

Схематическое устройство колебательной системы показано на рисунке 7.1. Капля МЖ 1 перекрывает сечение стеклянной трубки 2 под действием пондеромоторной силы неоднородного магнитного поля, которое создано кольцевым магнитом 3, намагниченным вдоль оси. Трубка с внутренним диаметром d припаяна к стеклянному сосуду 4, заполненному воздухом (применяются также стеклянные трубки различной длины, запаянные с одного конца). Обе свободные поверхности МЖ-перемычки 5 имеют форму вогнутого мениска, что обусловлено неоднородностью магнитного поля в радиальном направлении.

По обе стороны перемычки имеются конусовидные пики, обусловленные неустойчивостью поверхности МЖ в поперечном поле. По нашим наблюдениям может образоваться от одного до пяти приблизительно одинаковых пика, высота которых составляет 1–2 мм (рис. 7.2).

В эксперименте [30] использовалась МЖ, приготовленная по стандартной методике на основе магнетита и керосина. Физические параметры магнитного коллоида приведены в таблице 7.1.

Для разрыва МЖ-перемычки достаточно изменить объем газосодержащей полости на ~ 0,1% путем перемещения магнитной системы вдоль трубки или поршня – внутри трубки.

Таблица 7.1

r, кг/м^3	j, %	hs, Па×с	Мs, кА/м
	16,2	8×10^-3	60±1

Возникающий при восстановлении сплошности перемычки скачок давления выводит колебательную систему из равновесия.

Индикация затухающих колебаний осуществляется индукционным методом, для чего внутри кольцевого магнита соосно с ним размещена катушка индуктивности. Электромагнитный импульс подается на вход осциллографа, работающего в ждущем режиме. Осциллограммы передаются в компьютер для последующей обработки и анализа. На экране монитора наблюдается осциллограмма, по которой определяются частота n и коэффициент затухания колебаний b. Погрешность измерения n и b указанным методом составляет соответственно 5 и 10% при доверительной вероятности 0,95.

На рисунке 7.3 точками представлены результаты измерений частоты колебаний n в зависимости от объема воздушной полости V₀.

В таблице 7.2 приведены результаты измерения коэффициента затухания колебаний системы b.

Анализ результатов экспериментального исследования проведен на основе модели колебательной системы с сосредоточенными параметрами.

Таблица 7.2

n, Гц
b, с^-1

Предполагается, что обе свободные поверхности жидкости плоские и отстоят друг от друга на расстоянии b (рис. 7.1). Жидкость является невязкой, несжимаемой и нетеплопроводной. Колебания плотности газа носят равновесный характер.

Упругость колебательной системы формируется тремя механизмами: тепловое движение молекул газа в изолированной полости (газовая упругость); взаимодействие намагниченной магнитной жидкости с неоднородным магнитным полем (пондеромоторный механизм); механизм, связанный с наличием границы раздела в двухфазной среде (упругость поверхностного натяжения).

Поэтому коэффициент упругости системы k определяется суммой:

k=k_g+k_p+k_σ, (7.1)

где k_g, k_p и k_σ – соответственно коэффициенты газовой упругости, пондеромоторной упругости и упругости поверхностного натяжения.

Выражение k_g для адиабатного процесса имеет вид [71]:

, (7.2)

где r_g – плотность газа (в данном случае - воздуха); с – скорость звука в воздухе; S – площадь поперечного сечения трубки; V₀ – объем изолированной газовой полости.

Если изолируемая камера является частью цилиндрической трубки высотой h₀, то

, (7.3)

где p₀ – давление газа в полости в отсутствие колебаний; d – диаметр трубки; γ – отношение теплоемкостей.

Дата добавления: 2014-01-05