Магнитострикционные материалы

Магнитострикционный эффект, в отличие от пьезоэлектрического – односторонний, т.е. независимо от знака изменения магнитного поля, изменение размеров сердечника происходит в одну сторону.

Поэтому, если магнитное поле изменяется с частотой f, то размеры будут изменяться с частотой 2f. Поэтому магнитострикторы обычно поляризуют, т.е. подают постоянное подмагничивание В_о. В этом случае изменения размеров будут происходить с частотой f и иметь значительно большую амплитуду.

Магнитострикционными свойствами обладают некоторые металлы и ферриты.

Преобразователи из металлов изготавливают в виде набора пластин толщиной 0,1 –0,2мм. Толщина берется небольшой – для уменьшения влияния вихревых токов. Из ленты такой толщины нарубают пластины чаще всего в виде прямоугольника. Эти пластины обезжиривают, промывают горячей водой и сушат. После этого пластины зажимают и укладывают в герметически закрытые железные ящики, из которых откачивают воздух. Ящики помещают в печь с температурой 600^оС. Затем температуру увеличивают до 850^оС и выдерживают пластины в течение 5ч. Затем печь охлаждают со скоростью 50^оС в час до 400^оС, после чего ящики вынимают и охлаждают на воздухе до полного остывания. После такого отжига пластинки поштучно раскладывают на поддонах, которые загружают в печь с температурой 300 –350^оС. Потом температуру в печи поднимают до 450^оС и выдерживают в течение 2ч. За это время пластина покрывается окисной пленкой. Затем печь охлаждают со скоростью 100^оС в час до температуры 250^оС, после чего пластины охлаждают на воздухе до полного остывания.

Потом пластинки собирают в пакет и по краям стягивают бандажом из очищенной медной проволоки толщиной 1.5 – 2мм. Затем на пакет наматывают две обмотки встречно по 16 витков проводом диаметром 2,5мм. Такой преобразователь с размерами 63 115мм. имеет собственную резонансную частоту 12 – 22кГц и может отдавать мощность до 25кВт при токе возбуждения до 25А.

Такие излучатели используют для исследования материалов с сильным акустическим затуханием (грунты, горные породы, стройматериалы и т.д.). Для сравнения рабочей частоты размеры преобразователей уменьшают. Однако для металлических магнитострикторов f_max 80кГц из-за резкого возрастания потерь на вихревые токи. Более высокие рабочие частоты получаются на ферритовых магнитострикторах, т.к. в них потери на вихревые токи малы (электропроводность в 10¹⁰раз меньше, чем у металлов). Для излучателей и приемников сердечники изготавливают в виде монолитных блоков. Для приемников рабочая обмотка имеет, как правило, большее число витков. В последнее время для возбуждения и приема акустических волн стали использовать электромагнитно-акустические преобразователи действие которых основано на эффектах электромагнитного поля. Работают в основном следующие три эффекта:

Эффект намагниченности – ферромагнитное изделие имеет внутреннее магнитное поле. При взаимодействии его с меняющимся внешним магнитным полем происходит смещение частичек среды.

Эффект магнитострикции – это изменение размеров материала при изменениях результирующего магнитного поля.

Эффект вихревых токов – переменное внешнее магнитное поле создает в изделии вихревые токи, которые создают свои переменные магнитные поля.

Магнитное поле вихревых токов, взаимодействуя с переменным внешним магнитным полем, приводит к смещению частичек среды.

В диапазоне частот до 10МГц основной вклад дают эффекты вихревых токов и намагниченности.

С помощью электромагнитно-акустических преобразователей можно возбуждать как продольные, так и поперечные волны. Для примера рассмотрим рисунок:

Рис. 1 Конструкция ЭМА - преобразователя

При таком расстоянии рабочей обмотки, изменение индукции В_n в зоне действия вихревых токов, расположено нормально к поверхности. Сила F взаимодействия такого поля с полем вихревых токов будет перпендикулярна В_n и В_вихр., т.е. будет направлена по касательной к поверхности. Следовательно, частички среды будут также смещаться вдоль поверхности, т.е. возбуждаются поперечные волны. Для возбуждения продольных волн используют другой тип преобразователя. Здесь изменение индукции В_т направлено по касательной к поверхности, следовательно, возбуждаются отходящие от границы продольные волны.

Термоакустический эффект. Известно, что если нагреть по­верхностный участок какого-либо тела, то другие участки этого тела приобретут повышенную температуру не сразу, а лишь спустя некото­рое время. Неравномерное распределение температуры приводит к неравномерному тепловому расширению тела, к появлению термоме­ханических напряжений. Поскольку эти напряжения изменяются во вре­мени, то в результате возникают акустические волны, излучаемые слоем с изменяющейся температурой. В этом и заключается суть термоакустического эффекта.

Нагрев может осуществляться бесконтактно (индукционный на­грев) и даже дистанционно (нагрев лучом лазера), что дает возмож­ность для бесконтактного возбуждения акустических колебаний в объекте контроля.