§ 13.2. Излучатели ультразвуковых колебаний

В ультразвуковых электрических датчиках наибольшее распростра­нение получили магнитострикционные и пьезоэлектрические излу­чатели, возбуждаемые с помощью полупроводниковых и электрон­ных генераторов, вырабатывающих переменное напряжение с час­тотой более 10 кГц. Часто применяется и импульсное возбуждение ультразвуковых излучателей.

Магнитострикционный излучатель стержневого типа (рис. 13.2, а) представляет собой набор тонких листов из ферромаг­нитного материала, на который намотана обмотка возбуждения. Чаще всего в магнитострикционных излучателях используется ни­кель и его сплавы (инвар и монель), а также ферриты. Форма плас­тины показана на рис. 13.2, б.

Если стержень из ферромагнитного материала находится в нере-менном магнитном поле, то он будет попеременно сжиматься и раз­жиматься, т. е. деформироваться. Зависимость относительного из­менения длины Д/// стержня из никеля от напряженности магнит­ного поля Н показана на .рис. 13.3. Так как знак деформации не зависит от направления поля, то частота колебании деформации бу­дет в два раза больше частоты переменного возбуждающего поля. Для получения больших механических деформаций используют по­стоянное подмагничивание стержня, чтобы работать на наиболее крутом участке кривой (рис. 13.3).

Магнитострикционные излучатели работают в условиях резо­нанса, когда частота возбуждающего поля совпадает (настроена в резонанс) с частотой собственных упругих колебании стержне, ко­торая определяется по формуле

где / — длина стержня; Е — модуль упругости; р — плотность мате­риала.

Для никелевого стержня длиной / = 100 мм частота собственных колебаний составляет 24,3 кГц, амплитуда достигает примерно 1 мкм. Наивысшая частота, на которой еще удается возбудить доста­точно интенсивные колебания, составляет 60 кГц, что соответствует длине 40 мм. Помимо основной частоты в стержне можно возбудить и колебания на высших гармониках (при соответствующем кренле-нии стержня), но с меньшей амплитудой.

В пьезоэлектрическом излучателе ультразвуковых колебаний используется пластина кварца (рис. 13.4), к которой приложено пе­ременное напряжение U_x, создающее электрическое поле в направ­лении электрической оси X (см. рис. 7.1). Продольный обратный

пьезоэффект заключается в де­формации пластины по оси X.

Поперечный обратный пьезо­эффект заключается в деформации пластины в направлении механиче­ской оси Y. При этом относитель­ное изменение длины пластины

При этом относительное из­менение толщины пластины

Как видно из (13.3), продольная деформация не зависит от раз­меров пластины, а поперечная деформация, как следует из (13.4), увеличивается с ростом отношения I/a. При напряжениях до 2,5 кВ сохраняется прямая пропорциональность между величиной дефор­мации и напряжением. При больших напряжениях"деформация уве­личивается не столь быстро и при U_x=25 кВ оказывается на 30 % меньшей, чем рассчитанная по (13.3) и (13.4). Амплитуда колебаний достигает максимума при равенстве частоты приложенного напря­жения и частоты собственных колебаний пластины.

Частота собственных поперечных колебаний зависит от модуля упругости в направлении оси У:

Частота собственных продольных колебаний определяется по формуле, аналогичной (13.4), где модуль упругости берется в на­правлении оси X:

Для кварцевых пластин f_a = 2S5/a [кГц] и f,= 272,6/1 [кГц], где размеры пластины выражены в сантиметрах.

По сравнению с магнитострикционными пьезоэлектрические излучатели обеспечивают значительно большую (на 1—2 порядка) частоту ультразвуковых колебаний.