книги из ГПНТБ / Кардашев, Г. А. Тепломассообменные акустические процессы и аппараты

ГЛАВА V

УЗКОПОЛОСНЫЕ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Магнитострикционные и пьезоэлектрические, устройства относятся к узкополосным источникам (см. стр. 17). Ведущее положение в ультразвуковой технике вначале занимали магнитострикционные преобразователи. Их широко используют в установках с частотами 15—60 кгц. Эти преобразователи изготовляли из никеля и различных сплавов (например, пермендюр). После второй мировой войны были разработаны новые материалы — ферриты (керамика с магнитострикционнымн свойствами). В СССР

ферритовые электроакустические преобразователи разра­ батывали в лаборатории академика Андреева Н. Н., в Акустическом институте АН СССР под руководством Голяминой И. П.

Среди пьезоэлектрических излучателей наиболее рас­ пространены пьезокерамические излучатели, заменившие кварцевые. Разработаны весьма перспективные шьезокерамические материалы. Большое значение имеют также разработка конструкций ультразвуковых излучателей с распределенными преобразователями и автоподстрой­ кой, вопросы расчета пассивных акустических элементов и др. [3, 20, 24, 38, 48).

МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Магнитострикционный эффект (эффект Джоуля) за­ ключается в изменении механического состояния ферро­ магнетика под действием магнитного поля. Стержни из железа, никеля, кобальта, а также их сплавов изменяют свою длину в магнитном поле. Возникающие вследствие магнитострикции относительные деформации е = АШ малы (порядка 10“ 6) и зависят от напряженности Н ма­ гнитного поля. В результате механических воздействий изменяется магнитное состояние ферромагнетиков. Это явление называют обратным магнитострикционным эф­ фектом (эффект Виллари). Магнитостриіщию можно опи­ сать количественно, связав механические характеристики с упругими (напряжение а и упругая деформация е) и ма-

90

гнитными (индукция В и напряженность Я магнитного поля).

Магнитострикционный преобразователь (магнитостриктор) представляет собой стержень (рис. 38, а) или пакет, собранный из тонких изолированных пластин, полос (рис. 38, б) или колец (рис. 38, в) магнитострикционного материала [2; 56]. В качестве материала для магнитострикторов применяют никель и специальные сплавы типа пермендюр, альфер и др. (табл. 1). При расчете магнмтострикторов используют представление о магнитострикторе как о стержневой колебательной системе с за-

Рис. 38. Магнитострикторы (стрелками показано направление ко­ лебаний):

а — стержневой; б — плоский; в — кольцевой

ключенным в ней источником колебательной энергии; применяют реальные кривые магнитострикции, намагни­ чивания, а также резонансые условия работы.

В промышленных технологических установках наиболь­ шее распространение получили многостержневые шихто­ ванные преобразователи с замкнутым магнитопроводом (плоские и кольцевые). Излучатели трубчатые и стержне­ вые имеют малую активную поверхность и соответственно значительные электрические потери.

Рассмотрим плоские магнитострикторы (ПМС). Их излучающая поверхность имеет прямоугольное или ква­ дратное сечение, количество стержней п = 2-4-7. При п = = 2 стержни имеют одинаковую ширину, а при п ^ 3 ширина крайних стержей вдвое меньше ширины внутрен­ них стержней. Активная длина la, на которой возникают полезные усилия, определяется соотношением /г0 <■ /а <5 <5 h (см. рис. 38, б). При конструировании пакетов стре-

91

Т а б л и ц а 1

Основные характеристики некоторых магнитострикционных материалов

мятся уменьшить длину ярма. Так как величина деформа­ ций нелинейно зависит от напряженности поля, то для достижения большей амплитуды колебаний необходимо работать на крутом (наиболее выгодном) участке кривых зависимости &(Я) или е (В). Для этого в обмотку, помимо переменного тока, вводят постоянный, т. е. создают подмагничивание или поляризацию. Следует учитывать, что при этом частота вдвое уменьшается. При работе без подмагничивания стержень колеблется на удвоенной ча­ стоте, так как динамические усилия возникают в каждом полупериоде, а при работе с подмагничиванием колебания происходят с частотой питающего тока [2; 6]. Геометри­ ческие размеры и предельную акустическуюмощность плоских магнитострикторов (см. рис. 38, б) рассчитывают следующим образом:

92

1.Задаются рабочей частотой ѵн и подводимой электри­ ческой мощностью Рэл.

2.Выбирают материал по табл. 1.

3.По подводимой и удельной допустимой мощности Руд для данного материала находят излучающую поверх­ ность

5. Задавшись числом стержней п, находят отношение дм площади сечения стержней 5Ск площади излучающей поверхности:

Следует учитывать, что эта формула справедлива для квадратного пакета и ширина внутренних стержней при п ^ 3 равна 2а, а ширина крайних стержней равна а\ экспериментально найдено, что qM— 0,65-^0,75.

6. Высоту ярма определяют по условию

7. Ширина окна g зависит от условий размещения об­ мотки, способа охлаждения преобразователя, числа стерж­

93

В этих расчетах резонансная частота оказывается меньше реальной. Поэтому значение ѵ рекомендуют уве­ личивать на 5% для частот до 25 кгц и на 10% для частот

.в интервале 25—50 кгц [20].

9.Полная высота пластин /г = /г0 + 2d.

10.Толщину пластин А выбирают равной глубине проникновения переменного магнитного поля

напряженности подмагничивания Я 0 и возбуждения Нт, а также количество соответствующих им ампер-витков

где /ср — средняя длина пути магнитного потока в отдель­

94

здесь т)м и г|э — соответственно механический и электри­ ческий к. п. д., принимают т|ы= 0,70 и

рэ = 0,70-Д),75.

3. Задавшись величиной переменной составляющей

cos ср = I f f - .

где г — средним радиус кольца излучателя.

При более точном расчете следует учитывать изменение упругости кольца и его массы в зависимости от располо­ жения отверстий [15]. Резонансная частота для магнито­ провода с отверстиями (рис. 39).

95

а0 = г3— г5 — ширина части кольца, на которой рас­ положена обмотка;

г4 — размер осевой линии центров отверстий; d — диаметр отверстий;

ах— ширина эквивалентного стержня; N — число отверстий.

Под эквивалентным понимают стержень, толщина кото­ рого равна толщине пластины, а магнитострикционное удлине­ ние равно удлинению части кольца длиной d и

шириной а0. Для магнитопроводов с зубчатой поверхно­ стью (рис. 40) резонансная частота [15]

96

2. Удельная акустическая мощность ЦМС при дву стороннем излучении

где 5 — площадь излучающей поверхности; а — магнитострикционная постоянная;

k — безразмерный коэффициент, определяемый пол­ ным сопротивлением излучения;

рс— удельное акустическое сопротивление среды; Вт — амплитуда магнитной индукции;

АR — ширина кольца; Dcp — средний диаметр;

і]ма —• механико-акустический к. п. д.

3. Средний диаметр магнитопровода находят по фор­ муле Dcр = с/пѵ. Оптимальная ширина активной части кольца [15] а = (0,15-^0,20) Dcp.

аналогично расчету ПМС.

Ферритовые излучатели обладают существенными пре­ имуществами. Ферриты представляют собой материалы, прессованные из порошка окислов железа, цинка и за­ киси никеля и подверженные специальной термообра­ ботке. Отличительная особенность ферритов состоит в том, что они являются диэлектриками и потери на вихревые токи в них малы. Кроме того, модуль упругости их мало зависит от температуры. Значения характеристик одного

прочность очень сильно зависят от технологии их изго­ товления [24].

Расчет ферритового излучателя, представляющего собой двухстержневой вибратор, аналогичен расчету ПМС; цилиндрические ферритовые излучатели рассчиты­ вают аналогично ЦМС. Предельная амплитуда колеба­

J,max

где r„— удельное сопротивление нагрузки;

остальные обозначения — см. формулы расчета ПМС. Динамическая прочность зависит от свойств феррита и его формы. Наблюдаемые в опытных условиях значе-

-ния стпр не превышали 8 кн/см2, что соответствует для воды расчетной интенсивности звука 13—14 вт/см2 и опытной 2—7 вт/см2. При этом амплитуда колебаний на частотах 23—28 кгд составляла 3—4 мкм.

ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Пьезоэлектрический эффект, открытый Кюри, заклю­ чается втом, что некоторые кристаллы при сжатии электри­ зуются. Обратный пьезоэффект состоит в том, что кристалл, помещенный в электрическое поле, деформируется. Тео­ рия пьезоэффекта во многом сходна с теорией магнитострикции. Пьезоэлектрический эффект существует только при температуре ниже точки Кюри. Материалы, в которых наблюдают пьезоэффект (кварц, турмалин, сегнетова соль и др.), являются анизотропными кристаллами, по­ этому для них электромеханические явления описывают тензорными соотношениями [6]. Связь между механи­ ческим напряжением alk и электрической индукцией Dt при прямом пьезоэффекте выражают уравнением

где dnk — пьезоэлектрический модуль — тензор 3-го ранга.

Взаимность пьезоэлектрических явлений состоит в том, что компоненты механического напряжения пре­ образуются в компоненты электрической индукции по­ средством того же тензора, который преобразует компо­ ненты электрического поля в компоненты деформации. Поэтому обратный пьезоэффект .описывают уравнением связи упругой деформации и напряженности электричес­ кого поля в веществе

Обычно в расчетах применяют компоненты тензора пьезомодуля.' Например, для поляризованной пластинки из пьезокерамики, когда направление продольной дефор­ мации совпадает с напряжением поляризации, пьезо­ электрические свойства характеризуют пьезомодулем сі33\ аналогично для продольных колебаний d3l, для сдви­ говых d35.

98

Физические свойства основных пьезоэлектрических материалов приведены в табл. 2. Наиболее перспективны из них пьезокерамические материалы — титанат бария, ниобат свинца бария, цирконат—титанат свинца, представ­ ляющие собой неорганические диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью (до 2000), которая за­ висит от напряженности электрического поля и темпе­ ратуры [17].

Введение в титанат бария модифицирующих добавок по­ зволило разработать новые материалы. Еще более совер­ шенными материалами являются ниобат свинца бария

дый раствор цирконат-титаната свинца с частичным за­ мещением свинца и добавкой 1 % пятиокиси ниобия Nb20 5. По своим характеристикам керамика ЦТС-19 значительно лучше титананта бария.

В отличие от магнитострикторов конструкции пьезо­ керамических излучателей не нормализованы. Различают следующие типы пьезокерамических преобразователей: фокусирующие (сферические, корытообразные и трубча­ тые) и плоские (диски и кольца). Плоские пьезокерами­ ческие преобразователи (рис. 42) выполняют полувол-