Магнитострикционный преобразователь

 

Использование: в ультразвуковой дефектоскопии в качестве широкополосных датчиков колебаний различных мод, в акустоэлектронике в качестве фильтров и резонаторов. Сущность: магнитострикционный преобразователь содержит звукопровод, на рабочую поверхность которого нанесен магнитострикционный элемент, средство создания магнитного поля с переменной составляющей, направленной вдоль оси звукопровода, и средство создания постоянной составляющей магнитного поля. Магнитострикционный элемент выполнен в виде поликристаллических частиц, размеры которых d выбраны в пределах от d1=с:(2хf1) до d2=c:(2хf2), где f1 - наибольшее значение частоты спектра ультразвуковых колебаний, f2 - наименьшее значение частоты спектра ультразвуковых колебаний, с - скорость распространения ультразвуковых колебаний в магнитострикционном материале. Кривая распределения частиц по размеру полностью совпадает по форме с амплитудно-частотной характеристикой преобразователя. Технический результат: получение рабочей полосы частот, превышающей полосу частот известных устройств, и амплитудно-частотной характеристики, близкой к заданной. 2 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области физики и техники ультразвука и может быть использовано для целей ультразвуковой дефектоскопии в качестве широкополосных датчиков колебаний различных мод, в акустоэлектронике в качестве фильтров и резонаторов.

Известно устройство - магнитострикционный преобразователь [1], содержащее сердечник из поликристаллического магнитострикционного материала и средство создания переменной и постоянной составляющей магнитного поля, выполненное в виде обмоток, окружающих сердечник, по которым протекает переменный и постоянный ток, причем для повышения эффективности преобразования длина сердечника l (мм) выбрана согласно соотношению: l=c•2f (1), где f - рабочая частота преобразователя (МГц), с - скорость ультразвука (м/с) в магнитострикционном материале.

Недостатком известного устройства является узкая полоса частот преобразования вследствие высокой добротности сердечника, а также ограниченный рабочий диапазон частот ультразвука от сотен герц до десятков килогерц вследствие потерь на токи Фуко и конструктивных факторов, связанных с необходимостью создания сердечника с замкнутым магнитным потоком. Известно устройство (прототип) - магнитострикционный преобразователь [2], содержащее звукопровод, на рабочую поверхность которого нанесен магнитострикционный элемент в виде тонкой монокристаллической пластины или пленки, и средство создания переменной и постоянной составляющей магнитного поля, причем толщина пластины (пленки) d (мм) выбирается согласно соотношению: d=с•2f (2), где f - рабочая частота преобразователя (МГц), с - скорость ультразвука (м/с) в магнитострикционном материале вдоль выбранного кристаллографического направления, перпендикулярного плоскости пластины (пленки).

Недостатком известного устройства-прототипа является узкая полоса частот преобразования (не более 20%) вследствие монолитности магнитострикционного материала и выбора определенной толщины пластины (пленки) согласно соотношению (2), а также невозможность воссоздания заданной амплитудно-частотной характеристики преобразователя вследствие технологических особенностей получения пластины (пленки).

Причиной, препятствующей получению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства-прототипа, является смешение различных мод колебаний вследствие монолитности магнитострикционного материала и сложной структуры внутреннего поля, определяемого как полем анизотропии монокристаллического образца, так и размагничивающим фактором, зависящим от геометрических размеров пластины (пленки), и от взаимного расположения монокристаллической пластины (пленки) и постоянной составляющей магнитного поля.

Основной задачей, на решение которой направлен заявленный объект, - магнитострикционный преобразователь, является создание широкополосного магнитострикционного преобразователя с возможностью воспроизведения заданной амплитудно-частотной характеристики преобразователя.

Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявленного изобретения, является получение преобразователя, рабочая полоса частот которого, по крайней мере, на порядок превышает полосу частот известных устройств и амплитудно-частотная характеристика которого близка к заданной (например, прямоугольной).

Указанный технический результат достигается тем, что известный магнитострикционный преобразователь, содержащий звукопровод, на рабочую поверхность которого нанесен магнитострикционный элемент, средство создания магнитного поля с переменной составляющей, направленной вдоль оси звукопровода, и средство создания постоянной составляющей магнитного поля, содержит магнитострикционный элемент, который выполнен в виде поликристаллических частиц, размеры которых d выбраны в пределах от d1=с:(2•f1) до d2=с:(2•f2), где f1 - наибольшее значение частоты спектра ультразвуковых колебаний; f2 - наименьшее значение частоты спектра ультразвуковых колебаний; с - скорость распространения ультразвуковых колебаний в магнитострикционном материале, а кривая распределения частиц по размеру - полностью совпадает по форме с амплитудно-частотной характеристикой преобразователя. Совокупность существенных признаков изобретения обеспечивает достижение технического результата, достигаемого при осуществлении изобретения вследствие зависимости резонансной частоты колебаний магнитострикционной частицы от ее геометрических размеров и вследствие того, что набор частиц с разными геометрическими размерами дает возможность получения перекрывающихся резонансных частот, сдвинутых относительно друг друга, и позволяет получить заданную амплитудно-частотную характеристику преобразователя вследствие зависимости амплитуды преобразования на определенной частоте от амплитуды переменной составляющей магнитного поля, от величины производной константы магнитострикции по постоянной составляющей магнитного поля и от числа частиц, геометрический размер которых соответствует этой частоте. При выбранных значениях переменной составляющей магнитного поля и оптимального значения постоянной составляющей магнитного поля коэффициент преобразования на определенной частоте пропорционален числу частиц, геометрический размер которых соответствует этой частоте, что позволяет получить заданную амплитудно-частотную характеристику преобразователя, если кривую распределения частиц по размеру выбрать совпадающей по форме с заданной амплитудно-частотной характеристикой преобразователя. Широкополосность преобразователя достигается путем выбора соответствующих значений минимального и максимального размера частиц, определяемых из заданной полосы В (%) преобразователя. Для прямоугольной формы амплитудно-частотной характеристики преобразователя величина В определяется из соотношения: В=2•(f1-f2):(f1+f2), (3) где f1 (МГц) - наибольшее значение частоты спектра ультразвуковых колебаний, f2 (МГц) - наименьшее значение частоты спектра ультразвуковых колебаний. Взяв для примера f1 равную 50 МГц и f2 равную 5 МГц, получим величину В, т.е. полосу преобразования, равную 160%, что практически на порядок превышает значение полосы известных преобразователей.

Техническим результатом в частном случае является магнитострикционный преобразователь, позволяющий дополнительно осуществлять по оси звукопровода фокусировку ультразвуковых колебаний в разных сечениях по длине звукопровода.

Указанный технический результат в частном случае достигается тем, что устройство содержит средство создания переменной составляющей магнитного поля, выполненное в виде двух обмоток, оси которых ориентированы под одинаковым углом А к оси звукопровода, величина которого выбрана согласно соотношению: O<tg A<d:2L (4), где d - диаметр (мм) звукопровода, L - длина (мм) звукопровода.

Техническим результатом в частном случае является магнитострикционный преобразователь, позволяющий достигать одновременное преобразование ультразвуковых волн различной поляризации (продольных и сдвиговых колебаний).

Указанный технический результат в частном случае достигается тем, что устройство содержит средство создания постоянной составляющей магнитного поля, выполненное в виде двух обмоток, ось одной из которых направлена вдоль оси звукопровода, а ось второй - ей перпендикулярна.

Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественных всем признакам заявленного объекта, отсутствуют, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен магнитострикционный преобразователь, на фиг.2 изображено распределение частиц по размеру, на фиг.3 изображена амплитудно-частотная характеристика преобразователя, на фиг.4 изображен частный случай магнитострикционного преобразователя, на фиг.5 изображен частный случай магнитострикционного преобразователя.

Устройство содержит звукопровод 1, выполненный из материала с малым затуханием ультразвуковых волн, например из плавленого кварца, на рабочую поверхность звукопровода нанесен магнитострикционный элемент 2 в виде поликристаллических частиц, обмотку 3 для создания переменной составляющей магнитного поля вдоль оси звукопровода, обмотку 4 для создания постоянной составляющей магнитного поля.

Устройство работает следующим образом: при подаче постоянного тока к обмотке 4 в месте расположения магнитострикционного элемента 2 создается постоянная составляющая магнитного поля, что приводит к поляризации поликристаллических частиц вдоль направления постоянной составляющей магнитного поля, которое задает направление поляризации ультразвуковых колебаний, которые возбуждаются за счет эффекта магнитострикции при подаче переменного тока к обмотке 3 и создания при этом переменной составляющей магнитного поля вдоль оси звукопровода. 1. Возбужденные ультразвуковые колебания распространяются вдоль оси звукопровода, так как направление их фронта создается направлением переменной составляющей магнитного поля и геометрией звукопровода. При этом, если частота переменной составляющей магнитного поля равна f1, где f1 - наибольшее значение спектра частот ультразвуковых колебаний, то наиболее эффективно будут возбуждаться частицы, размер которых d1 равен половине длины ультразвуковой волны, т.е. должно выполняться соотношение: d1=c: (2•f1) (5), где с - скорость распространения ультразвуковых волн в магнитострикционном материале. Аналогично для наименьшей частоты спектра f2 наиболее эффективно будут возбуждаться частицы с размером d2=с:(2•f2). На промежуточных значениях частот переменной составляющей магнитного поля между f1 и f2 эффективно возбуждаются частицы, размер которых находится между d1 и d2. Эффективность возбуждения ультразвуковых колебаний частицами определенного размера определяется их добротностью, которая для магнитострикционных материалов типа марганец-цинковая шпинель и железо-иттриевый гранат бывает не менее 20. При таких значениях добротности отклонение на 5% от запредельных значений размеров частиц приводит к уменьшению эффективности преобразования в два раза, т.е. частицы, размер которых отличается от запредельных значений дают очень малый вклад в формируемую амплитудно-частотную характеристику.

На фиг.2 показано выбранное распределение поликристаллических частиц марганец-цинковой шпинели по размеру на поверхности звукопровода, где d - диаметр частиц, N - их число (штук). При значении величины с для сдвиговых колебаний в марганец-цинковой шпинели, равной 4200 м/с, величина d1 равна 0,05 мм при частоте 42 МГц, а величина d2 при частоте 4,2 МГц равна 0,5 мм.

На фиг.3 сплошной линией показана заданная амплитудно-частотная характеристика преобразователя, а точками - полученная при выбранном распределении частиц по размеру. Как видно из фиг. 3, наблюдается хорошее согласие между заданной амплитудно-частотной характеристикой преобразователя и полученной при выборе формы кривой распределения частиц по размеру, совпадающей с формой амплитудно-частотной характеристики преобразователя. Из фиг.3 следует, что полоса изготовленного преобразователя равна 150%, что практически на порядок превышает полосу частот известных преобразователей.

Как следует из вышеизложенного, достижение технического результата обеспечивается тем, что магнитострикционный элемент выполнен в виде поликристаллических частиц, для которых в отличие от монокристаллической пластины имеется возможность выбора любого размера частиц и распределения частиц по размеру.

На фиг. 4 показан частный случай магнитострикционного преобразователя, который содержит звукопровод 1, магнитострикционный элемент 2, средство 3 для создания переменной составляющей магнитного поля, выполненное в виде двух обмоток, оси которых расположены под одинаковым углом А к оси звукопровода С, причем угол А выбран согласно соотношению (4). Устройство в частном случае работает следующим образом. После поляризации частиц магнитострикционного элемента 2 за счет пропускания постоянного тока через обмотку 4 и подаче переменного тока к обмоткам 3 в результате магнитострикции распространяются две ультразвуковые волны под углом А к оси звукопровода 1. В зависимости от величины угла А в разных сечениях на оси звукопровода эти волны будут интерферировать, приводя к усилению амплитуды ультразвуковых колебаний на оси звукопровода, по крайней мере, в два раза.

На фиг. 5 показан частный случай магнитострикционного преобразователя, который содержит звукопровод 1, магнитострикционный элемент 2, обмотку 3 для создания переменной составляющей магнитного поля, средство 4 для создания постоянной составляющей магнитного поля, выполненное в виде двух обмоток, ось одной из которых направлена вдоль оси звукопровода, а ось второй - ей перпендикулярна. Устройство в частном случае работает следующим образом. При пропускании постоянного тока через средство 4 частицы магнитострикционного элемента 2 поляризуются под углом 45^o к оси звукопровода 1. При подаче переменного тока к обмотке 3 в результате магнитострикции вдоль оси звукопровода будут распространяться две ультразвуковые волны - одна из которых поляризована вдоль оси звукопровода (продольная волна), а вторая поляризована перпендикулярно оси звукопровода (сдвиговая волна). Кроме указанного достигаемого технического результата и преимуществ заявленного устройства следует отметить также и их дополнительные достоинства, а именно возможность получения на оси звукопровода в разных его сечениях фокусированного излучения ультразвуковых волн в широком диапазоне частот, и во-вторых, - возможность одновременного детектирования продольных и сдвиговых ультразвуковых колебаний.

Таким образом, приведенные сведения доказывают, что при осуществлении заявленного изобретения выполняются следующие условия: средство, воплощающее устройство-изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в области техники ультразвука, а именно в ультразвуковой дефектоскопии и акустоэлектронике; для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных или других известных до даты подачи заявки средств; средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить получение указанного технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособность и промышленная применимость.

Источники информации 1. Ультразвук. Маленькая энциклопедия./ Под ред. Голяминой.- 1979 г., с. 35.

2. К.П. Белов. Магнитострикционные явления и их технические приложения.- М.: Наука, 1987 г.

Формула изобретения

1. Магнитострикционный преобразователь, содержащий звукопровод, на рабочую поверхность которого нанесен магнитострикционный элемент, средство создания магнитного поля с переменной составляющей, направленной вдоль оси звукопровода, и средство создания постоянной составляющей магнитного поля, отличающийся тем, что магнитострикционный элемент выполнен в виде поликристаллических частиц, размеры которых d выбраны в пределах от d1=с:(2хf1) до d2= c:(2хf2), где f1 - наибольшее значение частоты спектра ультразвуковых колебаний, f2 - наименьшее значение частоты спектра ультразвуковых колебаний, с - скорость распространения ультразвуковых колебаний в магнитострикционном материале, а кривая распределения частиц по размеру полностью совпадает по форме с амплитудно-частотной характеристикой преобразователя.

2. Магнитострикционный преобразователь по п.1, отличающийся тем, что средство создания переменной составляющей магнитного поля выполнено в виде двух обмоток, оси которых ориентированы под одинаковым углом А к оси звукопровода, величина которого выбрана согласно соотношению
0<tgA L - длина звукопровода.

3. Магнитострикционный преобразователь по п.1, отличающийся тем, что средство создания постоянной составляющей магнитного поля выполнено в виде двух обмоток, одна из которых ориентирована вдоль оси звукопровода, а вторая - ей перпендикулярна.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5