2.Методи реєстрації та передачі ультразвукових коливань в зону вимірювання

Для створення в середовищі ультразвукових коливань і їх реєстрації використовують електроакустичні перетворювачі. Це пристрої, які перетворюють електричну енергію в енергію коливань і на оборот. В залежності від напрямку перетворення розрізняють випромінювачі та приймачі коливань, але перетворювачі можуть виконувати функції обох пристроїв.

В більшості електроакустичних перетворювачів виконують спочатку проміжне електромеханічне перетворення електричної енергії в енергію коливань деякої механічної системи (стержня, пластини, диска і т.п.), а дальше – механіко-акустичне перетворення енергії, при якій коливання механічної системи пизводять до появи в середовищі коливань. Найбільш широко в якості електроакустичних перетворювачів використовують магнітострикціонні та п’єзоелектричні перетворювачі.

2.1. Магнітострикційні перетворювачі

Магнітострикційний перетворювач (рис. 2.1.1) складається з трьох основних елементів: магнітострикційного металічного чи феритового сердечника 1, обмотки збудження 3 та обмотки підмагнічування (або постійного магніту) 2. В перетворювачі використовується властивості ряду феромагнітів і феритів змінювати свої розміри при зміні їхнього магнітного стану, викликаного накладанням внутрішнього магнітного поля, а також змінювати намагнічення під дією внутрішніх сил. Найбільш застосовуються матеріали, використані в магнітострикційних перетворювачах – нікель та його сплави, залізо кобальтові та залізо алюмінієві сплави, ферити із структурою граната.

Рис. 2.1.1. Конструкція стержневого магнітострикційного перетворювача (а) і графіки розподілу напруги та зміщення u в стержні (б).

Суть магнітострикційного ефекту можна розглянути на прикладі феромагнітних металів, які мають кристалічну структуру з великою кількістю () доменів. У розмагніченому стані домени орієнтовані випадковим чином. Коли прикладається зовнішнє магнітне поле, домени повертаються та становляться вздовж магнітного поля, що викликає значні зміни магнітної проникності та модуля пружності, являється основним фактором, який призводить до розширення чи звуження матеріалу.

Підмагнічування за допомогою обмотки підмагнічування або постійного магніту, яке забезпечую постійне магнітне зміщення, служить тій же меті, що і напруга зсуву в електричних підсилюючих схемах. При цьому вихідний сигнал становиться лінійною функцією вхідного сигналу, амплітуда вихідного сигналу максимальна, виключається ефект подвоєння частоти вихідного сигналу по відношенні до частоти вхідного сигналу через кратність функції перетворення.

В більшості випадків магнітострикційні перетворювачі працюють в режимі резонансних коливань сердечника стержневої або кільцевої форми. Для зменшення втрат на струми Фуко сердечники складають із штампованих тонких пластин або навивають з тонкої стрічки товщиною 0,1 – 0,2 мм, а в якості ізоляції застосовують окисну плівку або плівку з полімеризуючої смоли.

Щоб забезпечити оптимальні параметри стержневого перетворювача і максимальний коефіцієнт магнітомеханічної зв’язки, потрібно виконати наступні вимоги:

• довжина котушки збудження повинна становити 0,7 – 0,75 довжини сердечника, а її середина повинна знаходитись поблизу кутової точки;

• постійний магніт повинен створювати постійне магнітне поле, паралельне осі стержня і рівномірне по поперечному перерізу з індуктивністю , де – індукція насичення;

• мотки котушки повинні бути розташовані як можна ближче до сердечника.