Электромагнитно-акустическое преобразование (ЭМАП) - превращение части энергии эл--магн. волн на границе проводника
в энергию упругих колебаний той же или кратных частот, меньших дебаевской частоты
(см. Дебая теория ).Характеристиками ЭМАП служат амплитуда возбуждаемого
ультразвука и и эффективность преобразования h, определяемая отношением
потоков энергий в упругой и эл--магн. волнах. Обычно h~10-8- 10-12,
причём наиб. интенсивная генерация ультразвука происходит в присутствии пост.
магн. поля Н0. В случае генерации продольного
ультразвука вектор Н0 направляют вдоль границы
проводника (рис. 1, а), а в случае генерации поперечного ультразвука
(см. Упругие волны - )по нормали к ней (рис. 1, б). Эл--магн.
поле создаётся катушками индуктивности, расположенными вблизи поверхности (при
работе на высоких частотах образец помещают в объёмный резонатор). Преобразователем
эл--магн. и упругой энергий в задачах ЭМАП выступает собственно приповерхностный
слой проводника. Формируя разл. конфигурации Н0
и эл--магн. полей у поверхности проводника (рис. 2), можно возбуждать в
нём не только объёмные упругие волны, распространяющиеся под любым углом к поверхности,
но и разл. типы поверхностных акустических волн.
Наиб. широко используются
два метода эксперим. исследования ЭМАП. Первый из них заключается в генерации
эл--магн. полем короткого УЗ-импульса, к-рый, отражаясь от противоположных граней
образца, создаёт последовательность затухающих эхо-сигналов. Регистрация этих
сигналов осуществляется либо той же катушкой индуктивности за счёт эффекта обратного
ЭМАП, либо пьезоэлектрическими преобразователями или магнитострш-иионными
преобразователями. Второй метод предполагает исследование резонансных особенностей
поверхностного импеданса Z при установлении стоячих упругих волн в образцах
"правильной" формы - пластинах, стержнях и т. д.
Рис. 1. Схема стандартного
расположения источников полей относительно границы металла в случае возбуждения
продольного (а) и поперечного (б)ультразвука. Волнистыми стрелками
обозначены направления распространения упругих волн, двусторонними - колебания
частиц в волне, N и S-полюсы постоянного магнита.
Основой теоретич. исследования
ЭМАП служит связанная система ур-ний теории упругости и ур-ний Максвелла,
описывающая возбуждение, взаимодействие и распространение в проводящих средах эл--магн.,
акустич. и спиновых колебаний. В нормальном металле плотность силы, возбуждающей
акустич. колебания, можно представить в виде суммы индукционного fi,
деформационного f d и стюарт-толменовского fS
слагаемых, в магнетиках она дополняется силами магнитоупругой природы fm
(см. Магнитострикция).
Рис. 2. Некоторые типы
катушек индуктивности (a), распределения
переменного тока в скин-слое (б)и вызываемые
индукционным механизмом поля упругих
смещений (в).
Под действием эл--магн.
волны в металле наводится перем. ток j, сосредоточенный у его
поверхности (см. Скин-эффект ).Взаимодействие этого тока с постоянным
магн. полем приводит к появлению силы
действующей на электроны
и передающейся через столкновения решётке. Амплитуда возбуждаемого ультразвука
при этом пропорциональна Н0, напряжённости магн. поля
Н эл--магн. волны и обратно пропорциональна скорости ультразвука, плотности
проводника r и частоте; кроме того, она зависит от соотношения глубины скин-слоя
и длины упругой волны.
Поляризация поперечного ультразвука, возбуждаемого fi,
совпадает с направлением Н.
В чистых металлах при низких
темп-pax энергию, приобретённую от эл--магн. волны, электроны передают решётке
на расстояниях порядка длины свободного пробега, к-рая может существенно превышать
толщину скин-слоя. Прямое воздействие электрич. поля Е эл--магн.
волны на решётку в скин-слое оказывается при этом нескомпенсированным, результатом
чего является возникновение силового диполя
где п - концентрация
электронов, s0 - статич. проводимость. Поляризация поперечного ультразвука,
возбуждаемого f d, совпадает с направлением Е.
Деформационная сила, проявляется при нелокальной связи между плотностью наведённого
в проводнике тока и Е за счёт пространственной дисперсии проводимости
(s
s0).
Частным случаем деформационного взаимодействия служит поверхностный механизм,
обусловленный диффузным рассеянием электронов на границе проводника. Поле Н0, локализуя электроны проводимости в пределах ларморовского радиуса, уменьшает
эффективность деформационного механизма ЭМАП и изменяет направление поляризации
возбуждаемого поперечного ультразвука. Сила Стюарта - Толмена
где т - масса свободного
электрона, возникает из-за того, что электроны под действием эл--магн. волны
движутся относительно кристаллич. решётки, к-рая колеблется и представляет тем
самым неинерциальную систему.
Эффективность генерации
ультразвука за счёт индукционного механизма в условиях тонкого по сравнению
с длиной упругой волны скин-слоя,
определяется отношением
скорости звука s к скорости света с и отношением плотности энергии
магн. поля к модулю упругости металла. Эффективности ЭМАП за счёт деформационного
и стюарт-толменовского механизмов, как правило, существенно ниже эффективности
ЭМАП в случае индукционного механизма.
В магнитоупорядоченных
средах наряду с индукционным взаимодействием, модифицированным наличием магн.
подсистемы, проявляются механизмы ЭМАП, обязанные изотропной и анизотропной
магнитострикции g. Все процессы, обусловливающие намагничивание вещества,
сказываются и в ЭМАП, в частности, возбуждение ультразвука происходит за счёт
смещения доменных границ и за счёт вращения намагниченности в доменах. Эффективность
магнитоупругого механизма ЭМАП в проводящем изотропном магнетике
где М-намагниченность,
m - магн. проницаемость, c - магн. восприимчивость. Магнитоупругий механизм
ЭМАП наиб. эффективен в области перехода металла из парамагнитного в ферромагн.
состояние. Пик генерации в этой области обязан резкому изменению с температурой
М, m и c в точке Кюри. Зависимости ЭМАП от магн. поля в ферромагн.
состоянии проводника, как правило, существенно немонотонны. В слабых магн. полях
доминирует магнитоупругий механизм, эффективность к-рого достигает максимума
в области изменения наклона кривой намагничивания. В сильных магн. полях осн.
роль играет индукционный механизм, что приводит к линейной зависимости амплитуды
генерации от Н0 (рис. 3).
ЭМАП используется для изучения
связей между электронной, спиновой и упругой подсистемами проводников, а также
для измерения скорости и затухания акустич. волн в твёрдых телах. Достоинство
этого метода - возможность проведения бесконтактных акустич. измерений и ультразвукового
неразрушающего контроля в широком интервале частот и температур. Генерация ультразвука
эл--магн. волнами наблюдается в металлах и полупроводниках, в сверхпроводящих
и магнитоупорядоченных средах. Для изучения упругих свойств диэлектриков этим
методом на их поверхность наносят тонкий проводящий слой ("искусственный"
скин-слой). На основе ЭМАП созданы скоростной контроль однотипных металлич.
изделий, толщинометрия горячего проката, контроль адгезии непроводящих
покрытий и сварных соединений.
Рис. 3. Зависимость амплитуды генерации поверхностной ультразвуковой волны в поликристалле железа от Н0. В слабых полях доминирует магни-тоупругий механизм ЭМАП (штриховая линия), наличие двух пиков связано с обращением в нуль магнитострикции при некотором значении поля. В сильных полях преобладает индукционный механизм (пунктир).
|
|
 |
