Магнитострикционный преобразователь. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Магнитострикционный преобразователь - электромеханич. или электроакустический преобразователь, действие к-рого основано на эффекте магнитострикции. В M. п. используется, как правило, линейная магнитострикция ферро- или ферримагнетиков в области техн. намагничивания (см. Ферромагнетизм, Ферримагнетизм).

Магнитострикционный преобразователь представляет собой сердечник из магнитострикционных материалов с обмоткой. Протекающий по обмотке магнитострикционного преобразователя переменный ток от внеш. источника создаёт в сердечнике переменное магн. поле (намагниченность), к-рое вызывает его механич. колебания. И наоборот, колебания сердечника магнитострикционного преобразователя под действием внеш. переменной силы преобразуются в переменную намагниченность, наводящую в обмотке переменную эдс. Электрич. импеданс обмотки M. п. в областях частот, лежащих вблизи собств. частот колебаний сердечника, в значит, степени определяется механич. параметрами сердечника, рассматриваемого как колебат. система. В соответствии с этими свойствами магнитострикционного преобразователя используют в УЗ-технике, гидроакустике, акустоэлектропике и ряде др. областей техники в качестве излучателей и приёмников звука, разнообразных датчиков колебаний, фильтров, резонаторов, стабилизаторов частоты н др.

Материалом для сердечников магнитострикционных преобразователей - излучателей и приёмников звука - в гидроакустике и УЗ-технике служат металлич. магнитострикц. материалы: никель и его сплавы, железокобальтовые и железоалюминиевые сплавы и керамич. магнитострикц. материалы на основе феррита никеля. Работают такие Магнитострикционный преобразователь на частотах от неск. сотен Гц до десятков кГц; частотный диапазон ограничивается сверху у металлич. материалов потерями на вихревые токи, а также необходимостью создания сердечников с замкнутым магн. потоком для уменьшения потерь из-за расстояния. Для фильтров, резонаторов и др. устройств акустоэлектроники применяют, как правило, лишь ферритовые материалы ввиду их высокой механич. добротности и (у нек-рых составов) температурной стабильности свойств. В диапазоне десятков и сотен кГц в акустоэлектронике используются ферриты-шпинели в керамич. модификации на основе никелевого феррита, на частотах до сотен МГц - кристаллич. ферриты-гранаты на основе редкоземельных элементов.

В большинстве случаев магнитострикционные преобразователи работают при наличии постоянной составляющей магн. поля H₀ (магн. индукции B₀) с целью линеаризации эффекта магнитострикции: при этом колебания сердечника в режиме излучения происходят с частотой возбуждающего поля, а в режиме приёма эдс в обмотке имеет частоту внеш. звукового давления. Пост, подмагничивание создаётся либо протекающим по обмотке пост, током, либо с помощью пост, магнитов, либо за счёт остаточной намагниченности. В излучателях звука величину H₀ выбирают так, чтобы получить макс, эффект преобразования энергии или достичь предельной излучаемой мощности (в последнем случае B₀~ B_s/2, где B_s - индукция насыщения). В приёмниках достаточной бывает остаточная намагниченность, при к-рой чувствительность ближе к макс, значению. В устройствах акустоэлектроники - фильтрах, стабилизаторах, линиях задержки - пост, ноле используют иногда и для управления их характеристиками - коэф. передачи, величиной потерь, рабочей частотой. M. п. используются обычно в режиме резонансных колебаний сердечника, вне резонанса применяются иногда лишь датчики колебаний.

Рис. 1. Преобразователи из металлических магнито-стрикционных материалов с сердечниками: a - стержневой, б и в - кольцевой формы. Стрелками помечено направление тока в обмотке.

M. п., используемые в гидроакустике или УЗ-технике для излучения и приёма звука или в качестве датчиков колебаний, имеют чаще всего сердечники стержневого или кольцевого (цилиндрич.) типа (рис. 1). Стержневые сердечники совершают продольные колебания вдоль
оси составляющих их двух или более стержней. Стержни объединяются т. н. накладками, к-рые обеспечивают замыкание магн. потока и непосредственно излучают (принимают) звуковые волны или колебания. При одностороннем излучении (приёме) со стороны неработающей поверхности создают экран - воздушную подушку (напр., с помощью пористой резины). Кольцевые M. п. в зависимости от расположения экрана излучают звук внутр. или наружной поверхностью. В первом случае M. п. может работать как фокусирующий; используется также резонанс внутр. полости, когда собственно излучателем является столб жидкости внутри цилиндра. Во втором случае осуществляется излучение во внеш. среду с равномерной азимутальной характеристикой направленности в плоскости, перпендикулярной оси. Сердечники из металлич. материалов для уменьшения потерь на вихревые токи набирают из штампованных по их форме тонких (0,1-0,2 мм) пластин (рис. 1, а и б)или навивают из тонкой ленты (рис. 1, в). Сердечники излучателей и приёмников из ферритов используют монолитными ввиду большого электросопротивления этих материалов и обычно - с пост, магнитами (рис. 2).

Ферритовые сердечники в фильтрах, резонаторах и др. устройствах имеют форму колец, стержней, гантелей, трубок, причём широко используются как продольные (рис. 3, а], так и крутильные колебания. Крутильные колебания возбуждаются на основе Видемана эффекта: в трубке с пост, остаточной намагниченностью вдоль оси ток в тороидальной обмотке создаёт переменное циркулярное магн. поле (рис. 3, б) или при остаточной циркулярной намагниченности ток в солено-идальной, соосной с сердечником, обмотке создаёт осевое переменное поле (рис. 3, е).

Резонансные частоты f₀ сердечников в виде стержней пост, сечения или тонких трубок вычисляются по ф-лам

для продольных и

для крутильных колебаний, где n - номер гармоники, l - длина стержня (трубки), E - модуль Юнга, G - модуль сдвига, r - плотность материала сердечника. Резонансная частота радиальных колебаний кольца или цилиндра со ср. радиусом r₀ приближённо определяется ф-лой

Рис. 3. Магнитострикционные резонаторы, работающие: a - на продольных, б и в - на крутильных колебаниях.

В зависимости от режима работы, обусловленного нагрузкой в электрич. цепи M. п., в ф-лах для резонансных частот будут фигурировать модули упругости E^H и G^H (при пост, поле) или Е^В и G^B (при пост, индукции), или же промежуточные между этими крайними величинами значения модулей. Излучатели из металлич. материалов обладают элект-роакустич. кпд 50%, из ферритов - до 70-80%. Интенсивность I излучения их на резонансной частоте определяется выражением

где а - магнитострикц. постоянная, В_т - амплитуда переменной индукции, r_н - уд. механич. сопротивление акустич. нагрузки, h_Мa - механоакустич. кпд, y - безразмерная величина, зависящая от формы сердечника. Макс, интенсивность излучения M. п. при работе на значит, нагрузку (напр., при излучении в жидкость в отсутствие кавитации или в твёрдое тело) ограничивается нелинейностью свойств материала сердечника, обусловленной явлением магн. насыщения, и достигает десятков Вт/см² (у ферритовых излучателей - не более 10 Вт/см²). При работе с малой нагрузкой (напр., в составе УЗ-инструментов) ограничивающим фактором является механич. прочность материала. Амплитуда колебаний стержневых излучателей на частотах 20 - 40 МГц может достигать св. 10 мкм (у ферритовых - 2-3 мкм).

Высокая механич. прочность, отсутствие спец. требований к гидро- и электроизоляции сердечника - гл. достоинства M. п., определяющие в ряде случаев их преимущество перед пьезоэлектрич. преобразователями в диапазоне частот от сотен Гц до 100 кГц для целей гидроакустики и УЗ-техники. При использовании M. п. в устройствах акустоэлектроники осн. достоинством их является высокая механич. добротность, достигающая у ферритовых резонаторов величин ~10⁴ [M. п. на основе феррита-граната итрия (ИФГ) обладают добротностью до 10⁷ в акустич. СВЧ-диапазоне]; при этом устройства на основе M. п. отличаются относит, простотой изготовления и удобством схемных решений.

Литература по магнитострикционным преобразователям

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.