Волновые электромагнитно-акустические явления в конденсированных средах и физические методы их использования

Понятие волновых электромагнитно-акустических явлений (ВЭМАЯ) в электропроводящих средах впервые сформулировано в 1967 г. [1]. С тех пор ВЭМАЯ и их практическое применение стали предметом изучения многих исследователей (редкий случай быстрого отклика) в различных отечественных и зарубежных научных центрах: Москвы (Ю.М. Шкарлет, Ю. И. Сазонов, H.H. Локшина, В. И. Стефаров, С. Н. Шубаев, В. Ф. Змитрук, И. Н. Ермолов, Ю. П. Гайдуков, А. Н. Васильев, М. В. Королев, В. И. Немченко, С. И. Дворников, H.A. Рой, В. М. Лившиц, В. А. Лисиенко и др.), Ленинграда (А.К.Гурвич, A.B. Харитонов, И. В. Ильин, Ю. П. Болдырев и др.), Свердловска (В.Г. Кулеев, H.H. Шакшин, Е. В. Кузнецов, В. В. Нестеренко, В. Е. Щербинин и др.), Ижевска (Г.А. Буденков, В. А. Комаров, H.A. Глухов, Р. С. Ильясов и др.), Казани (В.А. Голенищев-Кутузов, М.А. Богоносцев), Томска (В.К. Жуков, В. П. Ольшанский, Н. В. Суркова и др.), Челябинска (С. Н. Бедов, С. Ю. Гуревич, А. Ф. Маскаев, Ю. В. Петров и др.), Днепропетровска (A.B. Малинка, Ю. Н. Русскевич, А. И. Бутенко, A.B. Мозговой, В. Е. Михайленко, З. Д. Черный, Г. И. Шалынина, В. А. Юпенков и др.), Кишинева (Б.А. Буденков, П. Ф. Шаповалов, В. М. Бобренко, В. Т. Бобров, C.B. Веремеенко, М. А. Кеслер, Ж. Г. Никифоренко, В. Г. Эйчина, С. А. Филимонов и др.), Риги (А.З. Микельсон и др.), R.E. Beissner,.

J.E. Bobbin, J.W. Boyes, E. Burstein, J.J. Quinn, D.E. Chimenti, J. De Klerk, B.W. Maxfield, E.R. Dobbs, C. M. Fortunko, R.B. Thompson, H.M. Frost, H.L. Grubin, J. Herbertz, R.G. Pohlman, K. Kawashina, W. Mohr, T.J. Moran, H. Shimizu, T.L. Szabo, H. Talaat, R. Thomas, C.V. Vasile, T. Tsai, S.D. Wu, W.D. Wallace, K.R. Whittington, D. M. Wilson и др.

ВЭМАЯ, в каком бы — узком или широком — смысле мы их ни понимали, достигли ныне такого этапа в своем развитии, когда уместно оглянуться на пройденное и подвести некоторые итоги. Период штурма и натиска еще продолжается, но для того, чтобы дальнейшее продвижение не замедлилось, чтобы не иссяк наступательный порыв, необходимо критически осмыслить достигнутое, подвергнуть тщательному анализу основные идеи и понятия, продумать наиболее рациональную схему «осады узких мест», достичь ясного понимания того, что.

• предстоит сделать в ближайшей перспективе.

Целью диссертационной работы является обобщение теоретических и экспериментальных исследований автора по волновым электромагнитно-акустическим явлениям в конденсированных средах и их использованию в кибернетических системах интроскопии. Диссертация разделена на три части. В первой части изложены: краткий обзор и основы теории волновых элекгромагнитно-акустических явлений. Вторая часть содержит методику и результаты экспериментальных исследований волновых электромагнитно-акустических явлений. В третьей части рассмотрены физические методы использования волновых электромагнитно-акустических явлений в различных средах.

Научная новизна и практическая значимость работы заключается в разработанной теории электромагнитно-акустических явлений, анализе различных взаимодействий электромагнитных и акустических полей в различных средах, изучение характеристик эмиконов — нового класса электромагнитно-акустических преобразователей, открытии ранее неизвестных явлений и закономерностей, послуживших основой новых способов и устройств для генерации и приема звуковых и ультразвуковых волн и принципиально новых методов исследования вещества. Эти результаты заложили основание нового перспективного научного направления, определившего пути синтеза новых кибернетических систем интроскопии и получившего широкий отклик в науке и технике.

Основные положения работы и отдельные ее результаты доложены и обсуждены на всесоюзных, республиканских и региональных научно-технических конференциях, заседаниях советов и семинаров, а именно на: VII, VIII Всесоюзных акустических конференциях (Ленинград 1971, Москва 1973 гг.) — V, X, XII ВНТК по неразрушающим физическим методам контроля (Свердловск, ноябрь 1967 и сентябрь 1990 гг., Львов, октябрь 1984 г.) — Всесоюзной межвузовской научно-технической конференции по ультразвуковым методам интенсификации технологических процессов, МИСиС (Москва, ноябрь 1968, июнь 1972 гг.) — XIII Межвузовской конференции по молекулярной акустике (Москва, январь 1969 г.) — Всесоюзной межвузовской конференции по ультразвуковой спектроскопии (Каунас, июнь 1969, Вильнюс, сентябрь 1973 гг.) — Всесоюзном семинаре «Ультразвуковая аппаратура и ее применение» (Ленинград, апрель 1969, январь 1971 гг.) — XVII, XVIII, XXI, XXII научно-технических конференциях Московского института радиотехники, электроники и автоматики (октябрь 1967, февраль 1969, апрель 1972, май 1973гг.) — Научном семинаре Радиофизики ИФА АН СССР (рук. чл.-корр. РАН С. М. Рытов, Москва, октябрь 1973 г.) — Научном семинаре Акустики МГУ им. М. В. Ломоносова (июнь 1968, июнь 1973 гг.) — Научном семинаре НИФИ ЛГУ (декабрь 1970 г.) — семинарах Акустического института АН СССР (Москва 1969, 1972, 1973,.

1974, 1999, 2000 гг.) — Научно-техническом семинаре «Вклад отраслевой науки в решение проблем отрасли» (Москва, октябрь 1983 г.) — I, II, III, IV, V, VI, VII, VIII, IX, X Отраслевом научнотехническом семинаре «Физико-технические проблемы неразрушающего контроля» (Москва, апрель, июль, октябрь 1983, Калининград, декабрь 1983, Красноярск, апрель 1984, Днепропетровск, июль 1984, Москва, октябрь 1984, Пермь, июнь 1985, Ташкент, октябрь 1985, июль 1986 гг.) — Республиканской научно-технической конференции (Минск, 1985 г.) — Секции физических методов неразрушающего контроля отраслевого Совета ЦЗЛ (Славск, апрель, 1985 г.) — IX, X Уральской научно-технической конференции «Физические методы и приборы неразрушающего контроля» (Челябинск, 1988, Ижевск, 1989 гг.) Международном симпозиуме по физическим методам и средствам неразрушающего контроля (Днепропетровск, ноябрь, 1990 г.) — V, VI, VIII Международных научно-технических конференциях «Современные методы и средства океанологических исследований» (Москва, ноябрь 1999 и ноябрь 2000, ноябрь 2003 гг.) — X, XI, XIII научных сессиях Российского акустического общества (Москва, май-июнь 2000, ноябрь 2001, август 2003 гг.) — Съезде российских физиков-преподавателей «Физическое образование в XXI веке» (Москва, июнь 2000 г.) — ХХУ, XLV, XLVI научных конференциях Московского физико-технического института (Государственного университета)(декабрь 1972, ноябрь 2002, ноябрь 2003 гг.) — Российском научном семинаре «Математическое моделирование волновых процессов» (Москва, июнь 2003 г.).

Настоящая диссертация основана на 97 научных работах автора, выполненных в 1967 -2004 гг. (из них 39 без соавторов), некоторые из научных работ автора приведены в конце диссертации в хронологическом порядке, имеют порядковую нумерацию и помещены перед списком цитированной литературы, которая пронумерована по главам.

Автор считает своим приятным долгом выразить искреннюю признательность С. Д. Баеву, С. И. Баусову, Ю. А. Герасимову, С. И. Дворникову, В. Г. Кулееву,, Г. Ф. Меледину, В. И. Немченко, В. П. Ольшанскому, В. И. Пелипенко, А. М. Прохорову, Н. А. Рою, В. И. Стефарову, Т. А. Уманской, С. А. Фалькевичу, В. Е. Щербинину, совместно с которыми выполнены отдельные исследования, вошедшие в настоящую диссертацию.

Глубокую и искреннюю благодарность выражает автор академику Вонсовскому Сергею Васильевичу, Заслуженному деятелю науки РФ, доктору физико-математических наук, профессору Лукину Дмитрию Сергеевичу и доктору технических наук, профессору Ерохину Борису Тимофеевичу, чьи постоянные внимание и поддержка являлись и являются для автора стимулирующим и вдохновляющим фактором.

Часть первая.

ОБЗОР И.

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ВОЛНОВЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНО — АКУСТИЧЕСКИХ.

ЯВЛЕНИЙ.

Со времен Эрстеда и Ампера [0.1−0.15] не иссякает интерес к пондеромоторным эффектам электромагнитных взаимодействий различного типа, представляющих собой довольно распространенные явления, с которыми приходится встречаться как в научных исследованиях, так и в практических приложениях. Особенно это касается электромагнитно-акустических (ЭМА) явлений в электропроводящих и ферромагнитных жидкостях и твердых телах (неферромагнитные и ферромагнитные металлы и сплавы, волноводы, электромагнитные экраны, сверхпроводники, жидкие расплавы, жидкие металлы и сплавы, электролиты, морская вода, плазма и т. п.). Исследование ЭМА эффектов различного вида является одной из наиболее важных и в то же время трудных проблем радиофизики, физической и прикладной акустики, физики твердого тела и физики магнитных явлений. Проблема ЭМА эффектов является нетипичной задачей электродинамики взаимодействующих тел и полей различного типа и структуры. Поэтому решение проблемы ЭМА эффектов может оказаться одновременно и решением других важных частных задач радиофизики, акустики, физики твердого тела и физики магнитных явлений.

Исследование ВЭМАЯ дает возможность лучше понять физические процессы генерации, распространения и приема звуковых и ультразвуковых волн электромагнитными методами, что важно для построения общей теории ВЭМАЯ и создания различного рода устройств и преобразователей. Любой ЭМА эффект связан с весьма тонким балансом большого комплекса различных макрои микроскопических механизмов. Исследование ВЭМАЯ может дать новую информацию о свойствах и структуре исследуемого вещества, а так же создать на новых принципах ЭМА преобразователи — эмиконы и различные кибернетические системы интроскопии.

Простейшая теория ВЭМАЯ основывается на электродинамических соображениях, не используя представления о микроструктуре. Основываясь на этих представлениях были заложены основы классической теории ВЭМАЯ и к настоящему времени опубликованы основополагающие исследования [0.16−0.19].

За последние годы накоплен весьма богатый материал экспериментальных исследований, свидетельствующий о том, что предположение о поверхностном характере взаимодействия без учета пространственных и временных эффектов является необоснованно упрощенным. Часто рассматриваемые волновые процессы в сплошных средах произвольной структуры протекают в условиях переменных внешних давлений, температур, напряженностей полей и т. п., параметры которых изменчивы и являются функциями внешних воздействий.

Знание различных факторов (внешних и внутренних), влияющих на процесс и характер ВЭМАЯ, позволяет управлять динамикой процесса и в ряде случаев повышать эффективность преобразования энергии в достаточно широких пределах. Последнее необходимо для расширения области использования этих явлений, так как возможности технического применения способов и устройств, основанных на рассматриваемых эффектах, зависят в большой степени от эффективности процесса. Следовательно, теория ВЭМАЯ необходима для создания эмиконов с заранее заданными, желаемыми электрофизическими параметрами. Другими словами, развитие физики и техники ВЭМАЯ в наибольшей степени зависит от успехов теории.

Строгая общая теория ВЭМАЯ еще не разработана. Однако к настоящему времени уже выявлены некоторые закономерности ВЭМАЯ, объясняющие качественно, а в большинстве случаев и количественно, поведение многих физических характеристик.

Сложность точного (полного) теоретического описания ЭМА эффектов в ферромагнитных материалах, обладающих какой-либо конкретной формой, связана с тем, что, во-первых, сравниваемый вклад в него могут давать несколько механизмов: индукционный [0.20], магнито-упругий [0.21], магнитный, обусловленный колебаниями намагниченной поверхности [0.22]- во-вторых, в общем случае необходимо точно учитывать связанность волн различной природы [0.23] (упругих, электромагнитных, спиновых и т. п.), так как именно она определяет сам эффект ЭМАЯв-третьих, учет формы ограниченных сред сильно усложняет описание различных физических явлений в них [0.24].

Поэтому исследование различных аспектов ЭМАЯ до настоящего времени идет двумя основными путями. В первом из них задачи решаются точно, но для плоских объемных волн [0.20, 0.21, 0.23, 0.25, 0.26], распространяющихся, как правило, в идеальных средах и при особых внешних условиях [0.20, 0.21, 0.23]. В этом подходе игнорируются собственные колебания, обусловленные наличием границ (волны Лэмба, цилиндрические и т. п.), которые больше всего интересны для физики и практики неразрушающего контроля. Во втором подходе, напротив, взаимодействие волн учитывается приближенно [0.27, 0.28], но зато точно учитывается «эффект формы» — то есть возможность возбуждения конкретных собственных колебаний ограниченных сред. Пределы применимости такого рассмотрения можно оценить только с помощью точного решения соответствующих задач ЭМАЯ, учитывающих как «эффект формы», так и эффекты связанности волн различной природы и в уравнениях движения, и в граничных условиях [0.23, 0.25]. На наш взгляд, недостаточно оценивать эти пределы применимости, исходя только из уравнений движения [0.29]. Но так как такой путь сопряжен с большими математическими трудностями, что, по-видимому, и привело к отсутствию подобного рода работ, указанный подход также имеет право на жизнь, тем более, что он позволяет получить сравнительно простые выражения.

В работе [0.33] описана экспериментальная установка, позволяющая изучать раздельно прямое и обратное ЭМА преобразование в ферромагнитных стержнях конечной длины. В ней системы генерации и приема упругих продольных цилиндрических (УПЦ) волн ^ пространственно разнесены, в каждой из них с помощью пермеаметра создается свое постоянное магнитное поле. При изучении закономерностей генерации УПЦ волн система приема настраивается на оптимум (магнитное поле изменяется только в системе генерации) и, наоборот, при изучении обратного ЭМА преобразования на оптимум настраивается система генерации. Для усиления полезного сигнала в [0.33] используется упругий резонанс по длине стержня. Благодаря высокой акустической добротности Qq ферромагнитных образцов [0.34] амплитуда генерируемых упругих смещений в резонансе увеличивается настолько, что при сравнительно небольших амплитудах возбуждающих переменных токов заметно превышает уровень шумов [0.33] В связи с этим представляет большой интерес найти также и теоретически такие условия приема и генерации звука, при которых УПЦ волны в ферромагнитных стержнях возбуждались бы наиболее эффективным образом.

При этом необходимо учитывать, что в тех областях ферромагнитных стержней, где действует постоянное магнитное поле, изменяется модуль Юнга (из-за АЕ — эффекта [0.350.36]), а значит и скорость распространения УПЦ волн и их акустический импеданс. Кроме того, с полем резко меняется затухание этих волн, связанное с микрои макровихревыми токами и магнетомеханическим гистерезисом [0.36]. Все это вместе взятое приводит к тому, что результат процесса суммирования большого числа УПЦ волн, отраженных от свободных концов стержня, будет зависеть еще и от отражений на границах этих областей, а резонансные амплитуды упругих смещений будут зависеть от поглощения в этих областях.

Кроме этого, при падении волны на свободный конец стержня, например, наинизшей УПЦ-моды Д0,1), в нем возбуждается (помимо отраженной моды того же типа) большое число собственных колебаний стержня, существующих только вблизи его торцов [0.37]. Последнее обусловлено тем, что комбинация падающей и отраженной мод .?(0,1), удовлетворяя одному граничному условию (сг22 — 0) [0.37], не удовлетворяет другому (СГГ2 = 0, тензор упругих напряжений). Наличие этих «концевых» мод приводит к изменению фазы отраженной волны Ь{0,1) и к уменьшению ее амплитуды. Ниже в рамках феноменологического подхода будет учтено влияние концов стержня. Таким образом, возникает вопрос о том, в какой мере различные источники акустической добротности О. конечного ферромагнетика влияют на закономерности резонансного ЭМА преобразования в экспериментальной установке [0.33]. Полученные выводы в значительной мере будут справедливы и для других экспериментальных ситуаций при исследовании ВЭМАЯ в ограниченных ферромагнитных средах.

В известной литературе, посвященной ЭМАЯ, не удалось найти сколько-нибудь удовлетворительных ответов на многие вопросы, представляющиеся мне первостепенно важными.

ВЫВОДЫ.

Обобщая результаты исследований, можно сформулировать основные выводы:

1. Установлены ранее неизвестные закономерности и специфика в распределении упорядоченно движущихся электронов в конденсированных средах при электромагнитных воздействиях.

2. Открыто ранее неизвестное явление компенсации векторов лоренцовых сил, действующих на электроны, и векторов намагниченности доменов в электропроводящих, ферромагнитных средах, расположенных в электромагнитных полях произвольной структуры.

3. Открыто ранее неизвестное явление изменения электронной проводимости металлов и сплавов при воздействии мощного потока электронов.

4. Разработана теория электромагнитно-акустических явлений в конденсированных слоистых безграничных и ограниченных средах, которая позволяет определять время релаксации электронов в твёрдых телах, сформулировать физические принципы оптимальной генерации и приёма звуковых и ультразвуковых волн в различных средах с учётом электронной проводимости, магнитной проницаемости и акустических характеристик среды.

5. Установлены ранее неизвестные закономерности фундаментальной связи волнового акустического сопротивления с электронной проводимостью конденсированных сред (электромагнитно-акустическое число Сазонова). Впервые показано, что для сверхпроводящих эмиконов главным параметром является отношение глубины проникновения поля в сверхпроводник к поверхностному импедансу сверхпроводника (поскольку сверхпроводимость является электронным процессом, обеспечивающим сильное взаимодействие между электронами и кристаллической решеткой).

6. Впервые изучены пульсации давления низкотемпературной плазмы в канале МГД-генератора (температура плазмы меняется от 2800К на входе канала до 2600К на выходе).

7. Впервые разработаны на основе созданной теории методы синтеза и анализа простых и сложных эмиконов (нового класса электроакустических преобразователей), впервые предложены и разработаны инвариантные эмиконы и установлены некоторые закономерности оптимизации их характеристик. Предложены новые способы генерации и приёма звуковых и ультразвуковых колебаний, на которые получены авторские свидетельства СССР. Предложены новые технические решения по созданию различных эмиконов и принципиально новых акустических, радиофизических и кибернетических устройств для исследования и контроля плазмы и физических свойств конденсированных сред, на которые получены авторские свидетельства и патенты.