Ученые использовали магнитную жидкость для ультразвуковых исследований

Исследователи из Института механики сплошных сред УрО РАН (филиал ПФИЦ УрО РАН) представили математическое описание течения магнитной жидкости в зазоре между датчиком и контролируемой поверхностью при сканировании, решив одну из фундаментальных прикладных задач гидродинамики. По оценкам авторов, использование магнитной жидкости позволит радикально улучшить качество неразрушающей ультразвуковой диагностики.

Ультразвуковые исследования позволяют, не нарушая целостность объекта, изучать внутреннюю структуру материалов, обнаруживать дефекты в них или исследовать ткани и органы живых организмов. В основе метода лежит пьезоэффект: специальный кристалл при возбуждении электрическим импульсом излучает пакет ультразвуковых волн и посылает его в исследуемый образец. Датчик, получив акустическую волну, отраженную дефектом, преобразует ее в электрический импульс. Анализ этого сигнала дает информацию о структуре вещества, наличии и местоположении дефектов.

Для технологии ультразвуковых исследований критически важно, чтобы энергия акустического сигнала передавалась с минимальными потерями. При этом необходимо, чтобы в процессе контроля датчик мог свободно перемещаться — сканировать поверхность. Стандартным способом обеспечения такого режима является заполнение зазора между датчиком и поверхностью подходящей жидкостью. Она создает жидкостный мостик (акустический тракт), при любом нарушении целостности которого полезный сигнал пропадает.

Существенно улучшить условия сканирования можно, используя магнитную жидкость — искусственно созданный коллоид, содержащий наночастицы феррита. Их наличие дает возможность магнитного управления течением и формой мениска жидкости в контактном зазоре. Если оснастить ультразвуковой датчик магнитной системой, создающую вокруг него неоднородное поле, то магнитная жидкость будет прочно удерживаться в контактном зазоре, обеспечивая стабильность акустической связи при сканировании.

Такой подход был впервые предложен еще в 1990-х годах. Техника магнитожидкостного акустического контакта успешно прошла эмпирический этап, но ее дальнейшее развитие потребовало решения фундаментальных задач гидродинамики тонких пленок магнитной жидкости.

Механическое поведение тонких пленок даже обычных жидкостей настолько разнообразно, что эта тема до сих пор является предметом активных академических исследований. До сих пор в гидродинамике пленок магнитных жидкостей решались задачи двух типов: свободного течения по наклонной или горизонтальной плоскости в однородном поле и вынужденного течения в тонких замкнутых каналах (режим смазки). В настоящей работе авторы впервые поставили и решили задачу щелевого нанесения покрытий для магнитной жидкости.

«Наличие вынужденного течения с открытой поверхностью принципиально отличает настоящую задачу гидродинамики магнитной жидкости от тех, где рассматриваются либо свободное стекание пленки по наклонной плоскости, либо режим смазки, когда пленка полностью находится внутри зазора. Существенное различие заключается в профиле задней кромки магнитожидкостного мостика — так называемом динамическом угле контакта», —рассказал один из авторов исследования, заведующий лабораторией подземной утилизации углерода ИМСС УрО РАН, кандидат физико-математических наук Денис Голдобин.

«В немагнитной жидкости мениск формируется за счет взаимодействия гравитационных и капиллярных сил. В случае же магнитной жидкости основное влияние на свободную поверхность в «ближней» зоне оказывают магнитные силы, и это влияние легко можно сделать определяющим. В этом случае магнитная жидкость проявляет поведение, радикально отличающееся от поведения обычной. А именно, (1) конфигурация поверхности жидкостного мостика на верхнем крае зазора не влияет на условия формирования динамического краевого угла, из которого вытягивается пленка, и (2) в отличие от обычной, магнитная жидкость способна формировать жидкостный мостик в зазоре любой толщины», — объяснил ученый.

Один из ключевых результатов данной работы заключается в том, что разработанная модель, применительно к задаче ультразвуковой дефектоскопии, во-первых, дает возможность оценки главных параметров магнитоакустического контакта и основных характеристик магнитной жидкости для выбранного режима сканирования и, во-вторых, позволяет в пределах этого выбора минимизировать расход контактной жидкости.

Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России.

Источник: Официальный ресурс Министерства образования и науки Российской Федерации