МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ
MAGNETOSTRICTIVE CONVERTER OF HIGH-FREQUENCY ULTRASONIC VIBRATIONS

Изобретение относится к области физической и технической акустики твердого тела и может быть применено в таких областях техники, как радиоэлектроника, автоматизация технологических процессов, материаловедение, в приборах неразрушающего контроля для генерирования и детектирования ультразвуковых колебаний, в акустоэлектронике в качестве фильтров и резонаторов.
Магнитострикционные высокочастотные преобразователи ультразвука являются основным элементом упомянутых выше приборов, и от значений их параметров - таких как величина эффективности преобразования, определяющая коэффициент полезного действия при преобразовании энергии переменного магнитного поля в энергию акустического поля, и рабочая полоса частот зависят важные характеристики приборов неразрушающего контроля - чувствительность к содержанию дефектов в изделии и разрешающая способность. Применение магнитострикционных материалов с повышенной эффективностью преобразования позволяет также существенно улучшить рабочие и энергетические характеристики различных акустоэлектронных устройств, служащих для обработки и временной задержки электромагнитного излучения.
Известен магнитострикционный преобразователь [1], содержащий 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 (м) выбрана согласно соотношению
L=с/2f (1),
где f - рабочая частота преобразователя (Гц); с - скорость ультразвука (м/с) в магнитострикционном материале. Однако известное устройство имеет недостаточно высокую эффективность преобразования вследствие низкой добротности сердечника, а также ограниченный рабочий диапазон частот ультразвука от сотен герц до десятков килогерц вследствие высоких потерь на токи Фуко и конструктивных факторов, связанных с необходимостью создания сердечника с замкнутым магнитным потоком.
Известен магнитострикционный преобразователь [2], содержащий звукопровод, на рабочую поверхность которого нанесен магнитострикционный элемент, выполненный в виде поликристаллических частиц, размеры которых (d) выбраны в пределах от dl=c:(2/fl) до d2=c:(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, и средства создания магнитного поля с переменной и постоянной составляющей магнитного поля, направленных вдоль оси звукопровода. Преимуществом известного устройства является повышенная рабочая полоса частот. Однако известное устройство имеет недостаточно высокую эффективность преобразования вследствие значительного рассеяния ультразвукового пучка на частицах магнитострикционного материала и распределения генерируемой энергии ультразвука в широком диапазоне частот.
Известен магнитострикционный преобразователь высокочастотных ультразвуковых колебаний [3], наиболее близкий к заявленному изобретению по решению технической задачи, который содержит звукопровод, на рабочую поверхность которого нанесен магнитострикционный элемент в виде тонкой однородной монокристаллической пленки, и средство создания переменной и постоянной составляющей магнитного поля, направленных соосно вдоль оси звукопровода, причем толщина пленки выбирается согласно соотношению
d=c/2f (2),
где f - рабочая частота преобразователя (Гц), с - скорость ультразвука (м/с) в магнитострикционном материале вдоль выбранного кристаллографического направления, перпендикулярного плоскости пленки, а величина постоянной составляющей поля, направленной вдоль оси звукопровода, выбирается соответствующей максимуму крутизны в зависимости магнитострикции от магнитного поля.
Недостатком известного устройства, выбранного в качестве прототипа, является недостаточно высокая эффективность преобразования вследствие рассеяния генерируемого ультразвука на тепловых колебаниях доменов и доменных границ.
Заявленное изобретение лишено указанных недостатков.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности преобразования по сравнению с прототипом (не менее чем в 10 раз).
Технический результат изобретения достигается за счет того, что предлагаемое устройство содержит дополнительно магниты для создания постоянной составляющей магнитного поля с вектором напряженности, лежащим в плоскости пленки. Величина напряженности Н постоянной составляющей магнитного поля, направленного касательно плоскости пленки, подбирается равной такому значению, при котором собственная частота колебательной системы доменных границ совпадает с частотой возбуждаемых ультразвуковых колебаний. При этом условии достигается максимальное увеличение эффективности преобразования за счет резонансного участия колебаний доменных границ.
Основной задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, магнитострикционный преобразователь высокочастотных ультразвуковых колебаний, является увеличение эффективности преобразования.
Техническим результатом, достигаемым при осуществлении заявленного изобретения, является повышение эффективности преобразования на заданной частоте, по крайней мере, на порядок превышает эффективность преобразования известных устройств.
Указанный технический результат достигается тем, что известное устройство содержит дополнительно средство создания постоянной составляющей магнитного поля с вектором напряженности, лежащим в плоскости пленки перпендикулярно оси звукопровода.
Небольшое постоянное магнитное поле (по сравнению с полем насыщения) может приводить в магнитострикционном материале к образованию различных доменных структур, включая полосовые домены, лабиринтную структуру, цилиндрические магнитные домены [4]. При этом вид и геометрические размеры доменов зависят от геометрических размеров и формы магнитострикционного материала и величины и направления приложенного магнитного поля. Для тонких пленок при приложении магнитного поля с вектором напряженности, лежащим в плоскости пленки, характерно образование полосовых доменов, непосредственно наблюдаемых в пленках железо-иттриевого граната [5]. Между полосовыми доменами существуют области - доменные границы, в которых ориентация вектора намагниченности меняется от одной равновесной ориентации к другой. При электромагнитном возбуждении ультразвуковых колебаний постоянное магнитное поле модулируется переменным высокочастотным магнитным полем. При этом на доменные стенки действует переменная сила, приводящая при наличии магнитоупругого взаимодействия к возбуждению акустических колебаний. Колебательная система доменных границ между полосовыми доменами может быть описана на основе модели Деринга [6] дифференциальным уравнением
0
где X - смещение доменной границы, m и D - ее эффективная масса и квазиупругий коэффициент, С - коэффициент трения, Н - напряженность постоянного магнитного поля с вектором напряженности, лежащим в плоскости пленки, h - амплитуда переменного магнитного поля, М - намагниченность единицы объема.
0
0
0
0
Амплитуда вынужденных продольных ультразвуковых колебаний, связанных с колебаниями доменных границ, будет определяться величиной коэффициента магнитоупругой связи Bi - характеристики магнитострикционного материала, значением величины h; степенью близости частоты переменного поля f к частоте f и добротностью системы. Так как величина f определяется величиной приложенного постоянного магнитного поля с вектором напряженности, лежащим в плоскости пленки, то можно подобрать значение приложенного магнитного поля такой величины, чтобы частота вынужденных колебаний пленки точно совпадала со значением f. При этом условии колебания доменных границ будут максимально увеличивать амплитуду вынужденных колебаний пленки и приводить к значительному увеличению эффективности преобразования магнитострикционного преобразователя.
Заявленное изобретение поясняется Фиг.1 и Фиг.2.
На Фиг.1 представлена схема устройства.
Устройство содержит звукопровод (1), магнитострикционный элемент (2), средство создания переменной и постоянной составляющей магнитного поля (3), магниты (4) для создания магнитного поля с вектором напряженности, лежащим в плоскости магнитострикционного элемента перпендикулярно оси звукопровода.
На Фиг.2 представлена схема устройства (в прямоугольнике, изображенном пунктиром) и связанные с работой устройства внешние средства: разделительный конденсатор (5), генератор переменного напряжения (6), ограничительное сопротивление (7), источник постоянного напряжения (8). Работа заявленного устройства осуществляется следующим образом.
При одновременной подаче на средство создания переменной и постоянной составляющей магнитного поля (3) напряжения через разделительный конденсатор (5) от генератора переменного напряжения (6) и соответственно через ограничительное сопротивление (7) от источника постоянного напряжения (8) к магнитострикционному элементу будут приложены переменная и постоянная составляющая магнитного поля, векторы напряженности которых направлены соосно вдоль оси звукопровода (перпендикулярно плоскости пленки). Вследствие магнитоупругого взаимодействия приложенных полей с вектором намагниченности пленки в пленке возникает ультразвуковая волна, распространяющаяся вдоль оси звукопровода с частотой, равной частоте переменного напряжения. Амплитуда ультразвуковой волны определяется магнитоупругими характеристиками пленки и величинами напряженности приложенных полей. Если в плоскости пленки перпендикулярно оси звукопровода приложить дополнительно постоянное магнитное поле, в пленке возникает полосовая доменная структура, участвующая в формировании вынужденных ультразвуковых колебаний. При этом амплитуда вынужденных колебаний определяется степенью близости частоты переменного напряжения и собственной частоты колебаний доменных границ, достигая максимума при их равенстве.
Заявленное изобретение было апробировано в лабораторных условиях Санкт-Петербургского государственного университета; многочисленные результаты апробации показали достижимость указанного технического результата.
Достигнутый технический результат иллюстрируется таблицей, в которой приведены значения амплитуды ультразвуковых колебаний А (в относительных единицах) при различных значениях напряженности Н постоянной составляющей магнитного поля с вектором напряженности, лежащим в плоскости пленки. Частота ультразвуковых колебаний составляет 40 МГц. Толщина пленки 90 мкм. Магнитострикционный материал пленки - железо-иттриевый гранат.
Таблица
Н
0
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
22
24
26
28
А
3
5,5
10,6
17,7
22,8
25,9
28
30
27,6
25,5
22,9
17,5
10,8
5,6
3,8
Из приведенных в таблице данных следует, что амплитуда ультразвуковых колебаний А возрастает при наложении касательного поля Н, достигает максимума при значении Н равном 14 Э. При этом эффективность преобразования возрастает в 10 раз по сравнению с значением А, измеренным при нулевом значении величины Н.
Экспериментально установлено, что максимальное увеличение эффективности преобразования достигается для магнитов, выполненных в форме сегмента, равного четверти диаметра звукопровода, и расположенных на цилиндрической поверхности звукопровода, так как при таких условиях достигается наибольшая степень однородности магнитного поля с вектором напряженности, лежащим в плоскости пленки перпендикулярно оси звукопровода, приводящая к однородной структуре полосовых доменов в плоскости пленки.
Достоинством заявленного изобретения, таким образом, по сравнению с прототипом и другими аналогами, состоит в более высоком (не менее чем в 10 раз) коэффициенте преобразования высокочастотных ультразвуковых колебаний, что позволяет эффективно использовать его в приборах неразрушающего контроля для генерирования и детектирования ультразвуковых колебаний, в акустоэлектронике в качестве фильтров и резонаторов и других сферах исследований и практического применения.
Список использованных источников
1. Ультразвук. Маленькая энциклопедия./ Под ред. И.П.Голяминой. - 1979 г., с.35.
2. Патент РФ №2182831, МПК H04R 15/00, 2002, В.М.Сарнацкий.
3. К.П.Белов. Магнитострикционные явления и их технические приложения. - М.: Наука, 1987 г. (прототип).
4. В.Г.Барьяхтар, Б.А.Иванов - В мире магнитных доменов. 1986, Наукова думка, Киев.
5. Вашковский А.В., Локк Э.Г., Щеглов В.И. Доменная структура и фазовые переходы пленок железо-иттриевого граната. // Физика твердого тела. 1999. Т.41. B.11. С.2034-2041.
6. А.Г.Гуревич. Ферромагнитный резонанс в ферромагнетиках и антиферромагнетиках, 1976.