ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЛЬНОЙ КОМПОНЕНТЫ МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЗМУЩЕНИЙ В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРОВОДНИКАХ

Корнеев А.С.¹, Сухова Т.А.², Суркаев А.Л.

¹Студент,

²кандидат физико-математических наук, доцент,

³кандидат технических наук, доцент,

Волжский политехнический институт (филиал) Волгоградского государственного технического университета (ВПИ (филиал) ВолгГТУ)

ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЛЬНОЙ КОМПОНЕНТЫ МЕХАНИЧЕСКИХ ВОЗМУЩЕНИЙ В МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРОВОДНИКАХ

Аннотация

В работе экспериментально исследуется возбуждение радиального механического возмущения в металлических проводниках цилиндрической и плоской геометрии, возникающих вследствие механических колебаний ультразвукового диапазона и при протекании разрядного тока микросекундного временного интервала. В первом случае конструкция экспериментальной установки рассматривается как твердотельный ультразвуковой интерферометр. В качестве излучателей и приемников ультразвуковой волны в аксиальном направлении использовались пьезокерамические преобразователи. Во втором случае рассматриваемый металлический проводник, по которому протекает разрядный ток короткого замыкания, моделируется как электрически взрывающийся проводник, находящийся в конденсированном состоянии до фазового перехода и непосредственно до состояния собственно взрыва. Для регистрации радиальной компоненты ультразвуковых колебаний и механических импульсных возмущений электрического разряда короткого замыкания использовался волноводный пьезокерамический преобразователь. 

Ключевые слова: ультразвуковые колебания, интерферометр, пьезокерамические преобразователи, электрический взрыв проводника.

Korneev A.S.¹, Sukhova T.A.², Surkaev A.L.³

¹Student,

²PhD in Physico-mathematical Sciences,

³PhD in Technics,

Volzhsky Polytechnical Institute (branch) Volgograd State Technical University

RESEARCH RADIAL COMPONENTS OF MECHANICAL INDIGNATIONS IN METAL CONDUCTORS

Abstract

In work excitation of radial mechanical indignation in the metal conductors of cylindrical and flat geometry arising owing to mechanical fluctuations of a ultrasonic range and at course of a digit current of a microsecond time interval is experimentally investigated. In the first case the design of experimental installation is considered(examined) as solid-state ultrasonic интерферометр. As radiators and receivers of a ultrasonic wave in an axial direction were used пьезокерамические converters. In the second case the considered(examined) metal conductor on which the digit current of short circuit proceeds, is modelled as электрически the blowing up conductor which is taking place in the condensed condition before phase transition and is direct up to a condition actually explosion. For registration radial components of ultrasonic fluctuations and mechanical pulse indignations of the electric category of short circuit it was used волноводный пьезокерамический the converter. 

Keywords: ultrasonic fluctuations, interferometor, piezoceramical converters, the electric explosion of a conductor.

Электрический разряд (ЭР) как и электрический взрыв проводников (ЭВП) в конденсированных средах представляется широким спектром применения, как в различных технологических процессах, так и в фундаментальных научных исследованиях [1, 2]. Феномен электрического взрыва проводников, а также многие сопровождающие его эффекты, в частности, существование такого явления как стратообразование, на сегодняшний день не имеет однозначной интерпретации.

Целью данной работы является экспериментальное исследование радиального и аксиального механических возмущений, возникающих в металлических проводниках цилиндрической и плоской геометрии при возбуждении в них ультразвуковых колебаний и импульса разрядного тока аксиальной поляризации.

Схема экспериментальной установки (рис.1) аналогична работам [3, 4], где представлено описание и методика эксперимента.

 

Наличие возмущений радиальной направленности рассматривается как одна из причин возникновения страт при электрическом взрыве проводников. В качестве проводника использовались медный цилиндрический стержень 1, либо латунная плоская пластина 1, на боковой поверхности которых устанавливался  волноводный пьезокерамический преобразователь 2, который является регистратором механических возмущений, распространяющихся в радиальном направлении. Аналитическое описание процессов в волноводном преобразователе рассмотрено в работе [5]. Конструктивно преобразователь [6] состоит из двух металлических волноводов, между которыми  размещен пьезокерамический элемент в виде таблетки. Щуп  (предволновод) 3 преобразователя 2, реактивный волновод 4 и пьезотаблетка 5 (ЦТС-19), зафиксированы между собой и имеют электрическую развязку. Для регистрации аксиальных механических возмущений пьезокерамические преобразователи - 6 располагались на торцах цилиндрического проводника - 1.

В первой серии экспериментов рассмотренная конструкция используется как ультразвуковой твердотельный интерферометр. На один из пьезоэлементов, подается сигнал с генератора (УЗГ), посредством второго пьезоэлемента осуществляется его прием. Электрический сигнал, генерируемый приемным пьезоэлементом, поступает на цифровой запоминающий многоканальный осциллограф (Ос) и далее на компьютер. Одновременно волноводным пьезопреобразователем регистрируется электрический сигнал радиальных колебаний. Характерные осциллограммы (рис. 2) показывают наличие радиальных колебаний, и существование резонансных частот аксиальных и радиальных колебаний.

В серии экспериментов по проводнику цилиндрической и плоской геометрии пропускался разрядный ток короткого замыкания. Согласно классической теории электропроводности Друде-Лоренца, свободные электроны металла массой  , направленно движущиеся с некоторой дрейфовой скоростью  , рассеиваются на ионах кристаллической решетки и на дефектах металла. Происходит передача энергии внешнего электрического поля кристаллической решетки, соответственно, проводник приобретает некоторый импульс механического возмущения. Исследования механических возмущений, возникающих в металлическом проводнике, проводились при протекании импульса плотности тока  в миллисекундном диапазоне. При протекании тока по проводнику, кроме аксиального возмущения, присутствует радиальное механическое возмущение. Разрядный ток, протекающий по проводнику, формируется генератором импульсных токов (ГИТ) с физико-техническими параметрами [7] и регистрируется поясом Роговского – 7. Сигналы от датчиков регистрировались цифровым запоминающим ос-циллографом (Ос). На рис. 3 представлены характерные осциллограммы, полученные в серии экспериментов, разрядного тока, импульсов радиальных и аксиальных возмущений, из которых следует, в первую очередь, наличие механических возмущений в проводнике  с током.  Используя выражение [3, 8], амплитуда аксиального возмущения составляет  , в то же время, исходя из осциллограммы, при коэффициенте преобразования пьезокерамической таблетки  , имеем  , что является достаточно удовлетворительным результатом.

Таким образом, в работе показано наличие радиальных возмущений при создании ультразвукового поля аксиальной поляризации и механические возмущения при протекании разрядного тока в проводнике в твердом состоянии, который носит колебательный характер. Следует рассматривать что радиальная компонента возмущения может являться одной из причин возникновения МГД-неустойчивости перетяжечного типа с модой   и стратообразования при медленных режимах протекания ЭВП.

Литература

1. Кривицкий Е.В. Динамика электровзрыва в жидкости. - Киев: Наукова думка, 1986. – 205 с.
2. Бурцев В.А., Калинин Н.В., Лучинский А.В. Электрический взрыв про-водников и его применение в электрофизических установках. - М: Энергоиздат, 1990. - 217 с.
3. Суркаев А.Л. Исследование возникновения МГД-возмущений в цилиндрическом проводнике при протекании импульса разрядного тока // ПЖТФ, 2014, том 40, вып. 2. С. 23 -29
4. Корнеев А.С. Сухова Т.А., Суркаев А.Л.  Исследование радиальной компоненты механических возмущений ультразвуковой волны // МНИЖ № 3 (34)  2015  С.14-16
5. Суркаев А.Л., Кульков В.Г. Исследование импульсного механического нагружения волноводного пьезодатчика давления. // Акустический журнал. Т. 52,  № 2, 2006. С. 218-222
6. Суркаев А.Л, Муха Ю.П., Суркаев В.А.  // Патент № 2241212. Волноводный датчик давления.   27.11. 2004.
7. Суркаев А.Л, Кумыш М.М., Усачев В.И.// Известия ВолгГТУ. Серия «Электроника, измерительна техника, радиотехника и связь». Волгоград, 2012, вып. 6: сб. науч. ст. / ВолгГТУ - № 6. - C. 74-78
8. Суркаев А.Л. Возникновение магнитогидродинамических возмущений в металлических проводниках при протекании импульса разрядно-го тока. // ЖТФ, 2015, том 85, вып. 7, С. 37–44

References

1. Krivickij E.V. Dinamika jelektrovzryva v zhidkosti. - Kiev: Naukova dumka, 1986. – 205 s.
2. Burcev V.A., Kalinin N.V., Luchinskij A.V. Jelektricheskij vzryv provodnikov i ego primenenie v jelektrofizicheskih ustanovkah. - M: Jenergoizdat, 1990. - 217 s.
3. Surkaev A.L. Issledovanie vozniknovenija MGD-vozmushhenij v cilindricheskom provodnike pri protekanii impul'sa razrjadnogo toka // PZhTF, 2014, tom 40, vyp. 2. S. 23 -29
4. Korneev A.S. Suhova T.A., Surkaev A.L. Issledovanie radial'noj komponenty mehanicheskih vozmushhenij ul'trazvukovoj volny // MNIZh № 3 (34)  2015  S.14-16
5. Surkaev A.L., Kul'kov V.G. Issledovanie impul'snogo mehanicheskogo nagruzhenija volnovodnogo p'ezodatchika davlenija. // Akusticheskij zhurnal. T. 52, № 2, 2006. S. 218-222.
6. Surkaev A.L, Muha Ju.P., Surkaev V.A. // Patent № 2241212. Volnovodnyj datchik davlenija.   27.11. 2004.
7. Surkaev A.L, Kumysh M.M., Usachev V.I.// Izvestija VolgGTU. Serija «Jelektronika, izmeritel'na tehnika, radiotehnika i svjaz'». Volgograd, 2012, vyp. 6: sb. nauch. st. / VolgGTU - № 6. - C. 74-78.
8. Surkaev A.L. Vozniknovenie magnitogidrodinamicheskih vozmushhenij v metallicheskih provodnikah pri protekanii impul'sa razrjadno-go toka. // ZhTF, 2015, tom 85, vyp. 7, S. 37–44.