Эффект магнитострикции уже давно используется для генерации ультразвуковых колебаний. В чем суть? Если поместить ферромагнитный стержень в переменное магнитное поле, геометрические размеры стержня будут изменяться, т.е. в окружающей стержень среде возникнут акустические волны.
При совпадении частоты переменного магнитного поля с собственной частотой упругих колебаний стержня возникнет акустический резонанс, и амплитуда колебаний стержня будет максимальной.
Амплитуда колебаний стержня-вибратора зависит не только от физических свойств конкретного ферромагнетика, но и от упругости твердого тела, из которого изготовлен стержень. В общем-то, амплитуда акустических колебаний незначительна и исчисляется микронами, но и этого достаточно для создания высокоэффективных ультразвуковых технологических установок.
В качестве материала для магнитострикционного преобразователя (вибратора) среди металлов-ферромагнетиков никель обладает самыми лучшими магнитострикционными свойствами, однако были найдены и другие материалы на основе интерметаллических соединений:
Альфер - сплав Fe и Al (13%)
Пермаллой - плав Fe и Ni (40%)
Альсифер - сплав Fe и Al (4%), Si (2%)
Пермендюр - сплав Fe и Co (49%), V (2%)
Инвар - сплав Fe (64%) и Ni (36%)
Цекас - сплав Fe (26,9%), Ni (59,9%), Cr (11,2%), Mn (2%)
Альтернативой перечисленным выше материалам является ферритовая керамика, химический состав которой определяется общей формулой MO-Fe2O3, где М может быть таким металлом как Ni, Co, Fe, Mn, Mg, Cu.
Предельная частота ультразвуковых колебаний магнитострикционного излучателя определяется его геометрическими размерами (чем меньше длина вибратора, тем выше частота ультразвука) и не превышает 200 кГц. Однако при некоторой потери мощности можно получить ультразвук гораздо большей частоты, возбуждая вибратор на частотах, кратных гармоникам собственной частоты упругих колебаний вибратора. Так, например, применяя в качестве вибратора тонкую ферритовую пластинку, можно получить ультразвук частотой порядка 10 МГц.
Вопрос №8.
Физические основы УЗ дефектоскопии. Направленность УЗ волн.
Ультразвуковая дефектоскопия основана на явлениях, происходящих на границе раздела двух сред, имеющих разные акустические сопротивления.
В общем случае на границе раздела могут происходить три явления: отражение, преломление и трансформация волн.
Отражением называют изменение направления УЗ волны на границе раздела, при котором волна не переходит в другую среду.
Преломлением называют изменение направления УЗ волны на границе раздела, при котором волна переходит в другую среду.
Трансформацией называют преобразование волн одного типа в волны другого типа, происходящее на границе раздела двух сред.
Чем больше отличаются акустические сопротивления сред, тем большая часть энергии звуковой волны отразится от границы раздела двух сред. Этим условием определяется как возможность, так и эффективность выявления нарушений сплошности материала.
Направленность излучения звука зависит от соотношения между размерами излучателя и длиной волны. Чем меньше длина волны по сравнению с размерами излучателя, тем больше направленность излучения звука. С уменьшением длины волны, кроме того уменьшается также и роль дифракции в процессе распространения волн. Поэтому ультразвуковые волны, имеющие сравнительно малую длину волны, могут быть получены в виде узких направленных пучков. В воздухе ультразвуковые волны весьма сильно затухают. Вода по своим акустическим свойствам резко отличается от воздуха. Кинематическая вязкость воды значительно меньше, чем воздуха. Поэтому ультразвуковые волны в воде поглощаются примерно в 1000 раз слабее, чем в воздухе. Этим и объясняется то, что направленные пучки ультразвуковых волн находят широкое применение в гидроакустике для целей сигнализации и гидролокации под водой. Отметим, что использовать для этой же цели электромагнитные волны невозможно, так как их поглощение в воде очень велико. Таким образом, ультразвуковые волны являются, по существу, единственным видом волнового процесса, который может распространяться с относительно малым поглощением в водной среде.
Вопрос №9.