книги из ГПНТБ / Хорбенко, И. Г. Ультразвук в машиностроении

той подвижной катушке и с непосредственным питанием подвижной катушки. Излучатели с индуцированием тока в замкнутой подвижной катушке конструктивно могут быть выполнены с резонирующей мембраной или резони­

бираются такими, чтобы собственные колебания системы совпадали или почти совпадали с заданной частотой излу­ чения. Использование резонанса позволяет увеличить амплитуду колебаний в области определенной частоты, называемой резонансной частотой данной системы.

Резонансную частоту мембраны, закрепленной по краям, можно определить по формуле

где D — диаметр мембраны в см; d — толщина мембраны в см; Е — модуль Юнга в дин/см2; р — плотность среды

изведению электрического и механического к. п. д. Элек­ трический к. п. д. можно определить по результатам измерения кинетического сопротивления и полного сопро­ тивления излучателя при резонансе. Механический к. п. д. можно определить по формуле

2рс

где р — плотность среды в г/см3; с — скорость распро­ странения звука в среде в см/с; б — логарифмический декремент затухания; рх— плотность материала излу­ чателя в г/см3; Cj — скорость распределения звука в мате­ риале излучателя в см/с.

Магнитострикционные преобразователи, В 1887 г.

Джоуль заметил, что если поместить стержень из ферро­

30

магнитного материала в направленное вдоль него магнит­ ное поле, геометрические размеры стержня изменятся, т. е. он деформируется. Это явление называется магнито-

стрикционным эффектом, или магнитострикцией. При этом независимо от направления магнитного поля, но в зависимости от материала стержня он будет либо удли­ няться, либо укорачиваться. Явление магнитострикции можно объяснить следующим образом. В ферромагнитах существуют элементарные магнитные диполи, которые отличаются от диполей неферромагнитных материалов. Как и все материалы, ферромагнетики состоят из малых однородных кристаллов, расположенных очень плотно, кристаллографические оси которых ориентированы в про­ странстве беспорядочно. Отдельные кристаллы объеди­ няются в домены. Каждый домен состоит из большого количества кристаллов и образует элементарный диполь. В домене атомные магнитные моменты ориентированы в одном направлении, совпадающем с так называемым направлением легчайшего намагничивания и соответству­ ющем минимуму потенциальной энергии, которая скла­ дывается из энергии кристалла и энергии упругих напря­ жений (если они имеются в материале).

Энергия кристалла минимальна в направлениях его кристаллографических осей. Магнитные моменты доменов могут быть ориентированы, например, для железа в ше­ сти, для никеля в восьми направлениях. Если же материал ненамагничен, то все эти направления встречаются оди­ наково часто и в результате беспорядочной ориентации магнитных моментов отдельных доменов все они взаимно компенсируются. Под действием внешнего магнитного поля беспорядочно распределенные направления намагни­ ченности меняются в результате смещения границ между доменами и большинство доменов ориентируется в тех из направлений легчайшего намагничивания, которые образуют наименьший угол с направлением внешнего магнитного поля. При изменении ориентации магнитных моментов в отдельных доменах изменяется и кристалли­ ческая решетка в них. Большое количество микроскопиче­ ских деформаций, направленных в одну сторону, приводит к изменению длины, которое и представляет собой явле­ ние магнитострикции.

В ферромагнетике могут быть два вида магнитострик­ ции: линейная магнитострикция, при которой происходит изменение геометрических размеров тела в направлении

31

той же амплитуде переменной магнитной индукции В. Соотношение амплитуды переменной деформации поляри­ зованного Лпол и неполяризованного Лнеп излучателя опре­ деляется выражением

^пол =_ ^ В0

^неп В

Если, например, В 0/В = 5, то амплитуда деформации увеличивается в 20 раз. Однако линейная зависимость между переменной индукцией и переменной деформацией существует только до определенного предела. В определен­ ный момент увеличение индукции В 0 не приводит к за­ метному приращению деформации.

Основные соотношения магнитных и механических свойств, определяющих магнитострикционный эффект, следующие:

упругая деформация; В — индукция; Н — напряжен­ ность магнитного поля.

Прямой магнитострикционный эффект

обратный магнитострикционный эффект

модуль упругости

р__ даУ

^у '

Магнитная проницаемость

1дН

ц~ дВ ’

риала стержня в дин/см2; В — магнитная индукция в Гс.

Так как в сплошных образцах имеют место потери на вихревые токи (токи Фуко) и гистерезис, то чаще всего магнитострикционные излучатели делают из тонких ли­ стов, склеенных между собой. Толщина пластин обычно выбирается 0,1—0,3 мм.

Пакеты сердечников магнитострикционных преобразо­ вателей бывают в одностержневом и многостержневом исполнениях. Удельную мощность РИі для одностержне­ вого магнитострикционного преобразователя можно опре­ делить по формуле

/>„t =o,o63<£pB6 ; 0 .i o - 7,

где с — скорость звука в стержнях магнитострикционного материала в см/с; рв — удельное волновое сопротивление материала преобразователя в г/с -см2; 8Т— максимальное значение относительной магнитострикционной деформа­ ции; Ѳ— добротность преобразователя.

Для возбуждения магнитострикционных элементов, использующих эффект продольной магнитострикции, можно применить три схемы: 1) с разомкнутым магнит­ ным потоком^такая схема может быть использована в уста­ новках малой мощности; 2) с замкнутым магнитопроводом при помощи ярма, где обмотка возбуждения наклады­ вается на центральный стержень, а обмотка подмагничивания — на боковые половины ярма; в такой схеме по­ тери на потоки рассеяния меньше, но высокий к. п. д.; 3) с замкнутым (внутри пакета) магнитопроводом; пла­ стины для пакета могут быть с одним окном (двухстержне­ вой пакет), с двумя окнами (трехстержневой пакет); на образующиеся таким образом стержни накладывается обмотка. Для изготовления мощных магнитострикцион­ ных преобразователей целесообразно применять схему с замкнутым магнитопроводом, так как в этом случае будут меньшие потери и более компактная конструкция.

Качество преобразователя (показатель эффективности) определяется соотношением

где А — амплитуда колебаний выходного торца концен­ тратора в мк; S — площадь выходного торца концентра­ тора в см2; Р — потребляемая мощность в Вт.

Показатель эффективности магнитострикционного пре­ образователя из никеля для обработки твердых и хрупких

34

материалов не менее 0,5, а преобразователя из пермендюра— не менее 1,1. У различных металлов и сплавов величина магнитострикционного эффекта неодинакова. Сравнительно высокой магнитострикцией обладают ни­ кель и пермендюр. Для изготовления магнитострикцион-

Ю-14) с 12— 14% алюминия. Альфер имеет высокое удель­ ное электросопротивление, поэтому потери энергии в та­ ком сердечнике относительно небольшие. Однако ввиду высокой хрупкости альфер практически промышленно­ стью не выпускается и в преобразователях не применяется.

В табл. 2 приведены основные характеристики магнитострикционных материалов. Наиболее высоким магнитострикционным эффектом обладает сплав платины с желе­ зом (платины 32%, железа 68%), но из-за высокой стои­ мости этот сплав практически не применяется.

Магнитострикционный эффект зависит от температуры. Термостойкость различных материалов неодинакова. У никелевых преобразователей при нагревании до темпе­

около 500° С, у ферритов — свыше 500° С. Наибольшей термостойкостью обладают преобразователи из пермендюра, способные выдержать более 900° С.

Магнитострикционные преобразователи подразде­ ляются на три основных типа: стержневые, плоские па­ кетные и цилиндрические.

С т е р ж н е в ы е п р е о б р а з о в а т е л и делают из тру­ бок магнитострикционных материалов с толщиной стенки 1— 1,5 мм при внутреннем диаметре 10—50 мм. Стержне­ вые преобразователи обычно применяются на частотах до 20 кГц. При повышении частоты значительно умень­ шается длина стержня. Собственную частоту колебаний стержня, укрепленного посредине, можно определить по формуле

1 В дальнейшем магнитострикционные и пьезоэлектрические ИЗ' лучатели будут называться преобразователями.

35

36

их геометрических размеров заданной резонансной ча­ стоте. Поэтому магнитострикционные преобразователи представляют собой резонансные системы, длина которых равна половине длины волны:

где к — длина волны в см; с — скорость распространения

то, что они при работе сильно нагреваются в результате возникающих вихревых токов. Для поддержания темпе­ ратурного режима предусматривается охлаждение с по­ мощью водяных или масляных рубашек.

П л о с к и е п а к е т н ы е п р е о б р а з о в а т е л и изготовляют из листового магнитострикционного мате­ риала, вырубленного в виде листов определенных разме­ ров, из которых набирают пакеты необходимой толщины. Плоские пакетные преобразователи находят наиболее широкое применение на частотах 8—80 кГц. Они могут быть одностержневыми и многостержневыми.

Собственную частоту колебаний плоского пакетного преобразователя можно определить из выражения

где I — длина стержня в см; b — размер стороны излуча­ ющей поверхности (толщина пакета) в см; р — плотность материала стержня в г/см3; Е — модуль упругости в дин/см2.

Расчет плоских пакетных магнитострикционных пре­ образователей приведен в работах [35] и [54].

Амплитуда колебаний магнитострикционного пакета может оказаться недостаточной для некоторых техноло­ гических процессов. Для увеличения амплитуды колеба­ ний до необходимого значения применяют концентраторы (трансформаторы амплитуды смещения).

37

Выбор размеров пакета является первой частью рас­ чета преобразователя и предшествует его электрическому расчету. Размеры пакета определяют его энергетические параметры и резонансную частоту. Выработаны рекомен­ дации по определению размеров пакета магнитострикционного преобразователя и, в частности, размеров пакетов преобразователей из железокобальтового сплава К-65, для диапазона частот от ІО4 до 2,5-ІО4 Гц [125]. Размеры выбраны такими, чтобы обеспечить достаточную ширину окна для размещения обмотки и ее охлаждение и рацио­ нальное отношение площади излучения к суммарной пло­ щади поперечного сечения стержней. Пользуясь таблицей, можно выбрать необходимые размеры пакета или оценить его энергетические возможности. Размер b (толщина пакета) является главным размером.

Ц и л и н д р и ч е с к и е п а к е т н ы е п р е о б р а з о ­

тах 2—80 кГц. Обмотка возбуждения накладывается на преобразователь или пропускается через специальные пазы (отверстия). Магнитные силовые линии проходят по окружностям, лежащим в плоскостях, перпендикуляр­ ных оси цилиндра. Под влиянием переменных магнито­ стрикционных сил, развивающихся в теле цилиндра, сред­ няя длина окружности цилиндра периодически изме­ няется, что вызывает радиальные колебания преобразо­ вателя.

Для магнитострикционного цилиндрического преобра­

У магнитострикционных ультразвуковых преобразо­ вателей имеются преимущества, заключающиеся в боль­ шой мощности, реализуемой в единице оборудования, высокой удельной мощности излучения и большой меха­ нической прочности. Однако в существующих конструк­

38

циях преобразователей не используются достаточно полно все возможности магнитострикционного материала. В США проверены исследования по повышению эффек­ тивности магнитострикционных материалов. Одной из фирм разработан магнитострикционный преобразователь с малыми потерями. В нем в качестве активного материала применен ванадий-пермендюр (железокобальтовый сплав с небольшим содержанием ванадия). Преобразователь представляет собой ленту, свернутую в виде цилиндра, с изолирующей прокладкой. В таком преобразователе возбуждается весь магнитострикционный материал. В обычном же преобразователе возбуждается не более 70% материала.

Поиски новых материалов для преобразователей при­ вели к разработке керамики с магнитострикционными свойствами — специальных типов ферритов, которые на­ шли применение в технике как магнитные материалы. В Советском Союзе в 1951 г. академик Н. Н. Андреев предложил использовать ферриты в качестве материала для электроакустических преобразователей. Подобные данные о магнитострикционных преобразователях из ферритов приведены в работе [62].

Свойства ферритов в большой степени зависят от со­ ставляющих (окислы железа, цинка, закись никеля). Ферриты относительно устойчивы против коррозии и имеют значительно меньшую, чем у металлов, зависимость частоты от температуры. Так, для некоторых составов ферритов точка Кюри лежит выше 500° С, что позволяет применять ферритовые излучатели при высоких темпера­ турах. Ферритовые преобразователи обладают значи­ тельным магнитострикционным эффектом, близким к ни­ келю (30-10“ 6), имеют относительно большую магнитную проницаемость (2000—3000). У ферритов электрическое сопротивление в ІО8— 1010 раз больше, чем у металлов, поэтому потери на вихревые токи (токи Фуко) в них практически отсутствуют.

Сравнительная дешевизна и простота изготовления делает применение ферритовых магнитострикционных пре­ образователей весьма перспективным, особенно при ра­ боте на высоких частотах. Однако у ферритов есть недо­ статок —■малая механическая прочность, что вызывает опасность их перегрузки при работе в колебательных системах большой мощности. Механические напряжения, возникающие в материале, приводят к образованию

39