7.1.3. Електромагнітомеханічні способи збудження і приймання акустичних хвиль

Електростатичні перетворювачі. Між пластинами зарядженого конденсатора діє сила притягання. Ефект притягання можна використовувати для збудження акустичних коливань. Для цього на невеликій відстані від поверхні деталі встановлюють нерухомий електрод і підводять напругу між електродом і деталлю (рис. 7.7). Електричні сили, діючи між електродом і деталлю, збуджують у деталі поздовжні хвилі.

Р ис. 7.7. Електростатичний випромінювач: 1 – нерухомий електрод;

2 – об’єкт контролю; 3 – напрям випромінювання-приймання.

Для приймання акустичних коливань потрібно створити на електродах фіксований заряд . Тоді в результаті коливального руху одного з електродів змінюється ємність перетворювача на величину . За фіксованого заряду можна вважати, що

.

Оскільки , а , то , або в кінцевому результаті з урахуванням того, що , отримаємо

.

Для підвищення чутливості зменшують товщину зазору , але через електричну міцність зазору доводиться знижувати сталу напругу зміщення . Ця дилема розв'язується або через підвищення електричної міцності зазору, створивши в ньому вакуум, або внесенням в зазор тонкої електретної плівки (поліетилентерефталат), яка сама створює в зазорі електричне зміщення.

За допомогою електростатичних перетворювачів можна збуджувати ультразвукові коливання до 100 МГц, а також вимірювати коливальні зміщення.

Перетворювач відрізняється властивістю оборотності. Проте має малу чутливість і використовується здебільшого для акустичних вимірювань у лабораторних умовах.

Електродинамічне перетворення. Електродинамічні способи збудження звукових хвиль ґрунтуються на силах Лоренца. Мається на увазі сила , діюча на заряд , що міститься в об'ємі та перетинає зі швидкістю лінії магнітного поля з індукцією

.

Оскільки - густина струму, то .

Залежно від розташування векторів і формується вектор сили (слід враховувати, що вектори , і взаємно перпендикулярні, а вектор має напрям, протилежний струму котушки збудження ).

Припустімо, що в електропровідному об'єкті лінії постійного магнітного поля між полюсами магніту паралельні поверхні, а вихрові струми, що збуджуються в об'єкті, також паралельні поверхні, але при цьому перетинаються з лініям магнітного поля. Тоді сила Лоренца , що виникає між полюсами магніту, згідно з правилом лівої руки, діятиме перпендикулярно до поверхні, збуджуючи поздовжні хвилі (рис. 7.8, а).

Якщо котушку збудження розмістити під полюсом постійного магніту (рис. 7.8, б), то на підставі аналогічних міркувань напрямок дії сили буде паралельним поверхні. В результаті виникає поперечна хвиля. Збуджений звук має таку ж частоту, як і змінний струм у котушці збудження.

Оскільки об'єкт, у якому збуджуються акустичні коливання, електропровідний, то вихрові струми концентруються в тонкому поверхневому шарі, який значно менший від довжини звукової хвилі, тобто виконується умова формування хвильового процесу. Нескладно припустити, що якщо до діелектрика приклеїти тонку мембрану з хорошою електропровідністю, то можна збуджувати ультразвукові хвилі і в діелектриках.

а

б

Рис. 7.8. Електродинамічне збудження поздовжніх (а) і поперечних (б) хвиль

у постійному магнітному полі.

Виготовлені за викладеним принципом електромагнітоакустичні перетворювачі можна вважати безконтактними, хоча на практиці робочий зазор складає близько 1 мм. Зі збільшенням зазору амплітуда звукового тиску зменшується через зменшення вихрових струмів, а також через зменшення індукції постійного магнітного поля в об'єкті.

У наведених конструктивних схемах звукові хвилі випромінюються перпендикулярно до поверхні. Але якщо з окремих електромагнітоакустичних перетворювачів набрати ФҐ, то було б можливим керування кутом нахилу діаграми напрямленості.

Чутливість таких перетворювачів з урахуванням їх оберненості на три порядки гірша, ніж п'єзоелектричних, проте вони здатні збуджувати поперечні хвилі з горизонтальною поляризацією. Із використанням електромагнітоакустичного перетворювача типу ФГ стає можливим виконувати похиле введення ультразвукових хвиль в ОК, а також сканувати діаграмою напрямленості ОК.

Для безконтактного збудження хвиль Релея і Лемба використовують способи похилого введення на базі електромагнітоакустичного перетворювача типу ФГ.

Перевагою електромагнітоакустичного методу є можливість використання його для високих температур (до 1300 ⁰С) завдяки безконтактному введенню і високій температурі Кюрі. Серед методів безконтактного збудження електромагнітоакустичний метод найефективніший, проте через його енерговитратність, громіздкість й недостатню чутливість застосовується рідко і виключно в тих випадках, якщо він не може бути замінений методом із застосуванням п'єзоелектричних перетворювачів.

Слід зазначити, що паралельно з електромагнітоакустичним збудженням акустичних хвиль відбувається пряма взаємодія між магнітним полем котушки і збудженим магнітним полем в ОК. Може також проявитися магнітострикційний ефект, якщо матеріал деталі – феромагнетик (не плутати з магнітодіелектриком, наприклад, з феритом).