Розенберг Л.Д. Физика и техника мощного ультразвука. Книга 1. Источники мощного ультразвука OCR
Подождите немного. Документ загружается.
ческий
к.п.д.
(1)эм)
выражается
как
[22, 49, 63]
1
1)эм
=
tg
f3
•
1 + K2Q
Магнитные
потери
в
ферритовых
сердечниках
определяются
в
основном
гистерезисом
при
циклическом
перемагничивании,
поэтому
косвенно
их
можно
характеризовать
величиной
коэрцитивной
силы.
Механические
по
тери
складываются
из
собственно
механических
потерь
в
решетке
и
из
внесенных
гистерезисных
потерь,
возникающих
за
счет
обратного
магни
тострикционного
эффекта.
В
зависимости
от
ус~овий
работы
преобразо
вателя
эти
внесенные
потери
могут
быть
больше
или
меньше.
Различают
величину
QH,
соответствующую
колебаниям
«магнитно-свободного»
образ
ца,
или
«режиму
холостого
ходю)
,
когда
при
механических
колебаниях
возникает
периодическое
макроскопическое
перемагничивание
образца,
и
величину
QB
дЛЯ
«магнитно-зажатого»
образца,
или
«режима
короткого
замыканию),
при
котором
перемагничивания
не
происходит.
На
практике
первый
случай
реализуется
вблизи
частоты
резонанса
!р,
соответствую
щей
максимальному
значению
модуля
электрического
импеданса
преоб
разователя,
второй
-
вблизи
частоты
антирезонанса
!а,
соответствую
щей
минимуму
импеданса.
Обе
добротности
связаны
соотношением
[50]
н
QB
(1-К2)
Q = 1 + Q
B
K2
tg
f3
Естественно,
для
излучателей
более
выгодна
работа
на
частоте
N,
однако
такой
режим
не
всегда
осуществляется
на
практике,
поэтому
дополни
тельные
потери
на
гистерезис
приходится
принимать
в
расчет.
Все
основные
динамические
характеристики
магнитострикционных
материалов
являются
функцией
постоянного
поля
подмагничивания
Но.
С
ростом
подмагничивания
магнитная
проницаемость
падает,
магнит
0-
стрикционная
постоянная
л
растет
до
значений
индукции
подмагничива
ния,
равных
О,9-0,95В
в
(для
ферритов
это
соответствует,
как
правило,
Но
:>
100
э);
коэффициент
магнитомеханической
связи
К
имеет
максимум
при
сравнительно
небольших
значениях
Но;
величину
НО,
соответствую
щую
максимальному
К,
называют
оптимальным
подмагничивающим
по
лем
-
Н
опт.
Величина
А
имеет
обычно
максимум
при
Н
о
<
Н
опт.
Зна
чение
tg
~
с
ростом
НО
растет.
Величина
QH
имеет
минимум
в
области
зна
чений
НО,
соответствующих
максимуму
А
и
К
[51, 52].
Как
показали
из
мерения,
на
ферритах
этот
минимум
выражен
очень резко
[50].
В
табл.
3
приведены
основные
характеристики
ферритов,
изготавли
ваемых
Акустическим
институтом,
ферритов
7
А1
и
7
А2
фирмы
Филиппс
и
ферритов
N
51
фирмы
Кирфотт
(по
данным
работ
[22,24]).
Для
сравне
ния
даны
также
свойства
наиболее
распространенных
металлических
маг
нитострикционных
материалов.
Кроме
уже
упоминавшихся
величин,
в
табл.
3
приведена
плотность
d,
скорость
звука
с,
температура
Кюри
t
K
•
Динамические
магнитострикционные
характеристики
К,
л
и
А
даны
при
оптимальном
подмагничивании
и
соответствуют
малым
амплитудам
ин
дукции
(не
более
нескольких
гаусс).
С
увеличением
амплитуды
величина
их
изменяется.
Особенно
сильно
зависят
от
амплитуды
характеристики
потерь
tg
~
и
Q,
причем
эта
зависимость
резко
проявляется
уже
при
ма
лых
амплитудах,
как
это
будет
видно
из
дальнейшего.
Для
ферритов
21, 38,
41
и
42
величина
tg
~
соответствует
амплитуде
индукции
в
несколько
гаусс,
за
величина
Q -
амплитуде
механического
напряжения
около
1
к,г/см,2;
начения
Q
даны
при
оптимальном
подмагничивании
и
в
состоянии
оста
точной
намагниченности
(индекс
r).
Характеристики
потерь
ферритов
7А1,
7
А2
и
N
51
соответствуют
малым
амплитудам,
точные
значения
которых
не
известны.
:12:1.
""
1'1
1'1
Таблица
3
Характеристики
ферритов
d,
ТИП
феррита
с,
г/см
м/ееn
21
5,20
5790
41
5,21
5750
42
5,21
5490
38
5,27
5940
М-20
5,24
5530
МН-16
5,27
5300
7А1
5,15-
5550
5,30
7А2
5,15-
5700
5,30
N
51
5,06-
5,15
Никель
8,85
4780
Пермендюр
8,2
5180
Альфер
6,7
4750
Ев,
ЛВ
Не,
Э
110
гс
-26·10-6
3300
2,8
44
-26·10-6
3600
2,3
51
-26·10-6
3700
2,0
73
-9·10-6
54ЬО
0,35
330
-26·10-6
-26·10-6
-(26-28).10-6
3300
2,5-5
30-40
-(26-28)·10-6
3300
2-3,8
45-60
-29·10-6
90
-(30+40).10-6
6000
0,7
400
+70·10-6
Q4000
2,0
700
+40·10-6
13000
0,7
1000
Н
опт
,
Лопт'
А
опт
,
Н
Q~
Копт
tg
f3
tI('
ос
дин
гс
Qопт
Э
ем"·ге
дин/см!
18
0,21
2,0·104
2,2·10-6
1,1·10-2
450 1750
5!;О
16
0,24
2,2·104
2,8·10-6
1,1·10-2
300
1000
590
"
16
0,33
2,8·104
4,5.10-6
1,2.10-2
120
1200
585
5
0,14
0,55.104
3,6·10-6
9,8.10-2
2000
9000
260
11
0,19
1,8.104
2,0·10-6
560
14 0,38
2,7·104
4,0·10-6
580
15-25
0,25-0,30"
(1,9-2,2).104
(3,2-4,9)
.10-6
1-2·10-3
2000
530
11-18
0,21-0,25
(1,9-2,1).104
(2,3-3,4).10-6
1-2·10-3
2500
530
6-7
0,37-0,39
250
590
10+20
0,15+0,31
(1,7+2,0).104
(1,5+7,2).10-6
360
20+30
0,25+0,37
(1,1+1,2)·104
(3,6+8,3)·10-6
980
6+30
0,25+0,28
(0,4+1,0).104
7.10-6
500
Согласно
табл.
3,
ферриты,
разработанные
для
акустических
целей
разными
авторами,
имеют
близкие по величине
статические
и
динамиче
ские
магнитострикционные
характеристики.
По
этим
характеристикам
они
не
уступают
металлическим
материалам,
а
в
ряде
случаев
и
превосхо
дят
их.
Обращает
на
себя
внимание
низкая
в
сравнении
с
металлами
ин
дукция
насыщения
ферритов.
что
определяется
самой
природой
их
маг
нитных
свойств
-
ферриты
занимают
промежуточное
положение
между
ферро-
и
антиферромагнетиками
[4].
Интересно
проанализировать
данные
по
добротности
ферритов.
Ввиду
того,
что
собственная
добротность
ферритовой
керамики
очень
велика
(вблизи
насыщения
величина
Q
достигает
10000
и
больше),
на
величине
QH
сильно
сказываются
вносимые
магнитные
потери.
Это
проявляется
кан
в
резком
снижении
добротности
при
Н
опт
по
сравнению
с
добротностью
в
состоянии
остаточной
намагниченности,
так
и
в
том,
что
величина
QH
сильно
зависит
от
К.
В
самом
деле,
среди
ферритов
21, 41, 42
и
38
самую
низкую
добротность
имеет
феррит
42,
отличающийся
наибольшим
коэффи
циентом
связи,
а
самую
высокую-феррит
38,
с
наименьшим
К.
Последнее
обстоятельство
следует
принимать
во
внимание
при
выборе
материала
для
излучателей:
материал
с
наибольшим
коэффициентом
связи
не
всегда
может
оказаться
лучшим.
При
рассмотрении
свойств
материалов,
соот
ветствующих
большим
амплитудам,
это
положение
становится
еще
более
очевидным.
§
2.
В.7IИВDие
теипературы
па
свойства
иаГПИТОСТРИRЦИОПИЫХ
ферритов
Значения
характеристик
материалов,
приведенные
в
табл.
3,
относятся
к
температуре
200
С,
в
то
время
как
при
многих
практических
применениях
мощного
ультразвука
бывает
необходимо
обеспечивать
работу
излучате
лей
в
широком
интервале
температур.
Даже
при
условии
стабилизации
температуры
внешней
среды,
в
режиме
интенсивных
колебаний
возникает
нагревание
преобразователя
за
счет
его
собственных
потерь.
Такое
нагревание
особенно
заметно
сказывается
при
работе
феррито
вых
преобразователей
в
установках
ультразвукового
резания
и
ультра
звуковой
сварки
без
системы
охлаждения
(возможность
работы
без
ох
лаждения
является
большим
преимуществом
ферритовых
преобразова
телей
перед
преобразователями
из металлов).
Как
показал
опыт,
устано
вившаяся
температура
сердечника
может
достигать
в
таком
режиме
от
50
дО 90
0
С.
Однако
и
при
работе
излучателей
в
жидкости
сердечник
нагре
вается
из-за
термоизолирующего
действия
обмотки.
Измерения
с
помощью
термопар
показали,
что
при
интенсивности
излучаемого
в
воду
звука
около
3
вт/с,м,2
ферритовые
сердечники
с
обычной
двухслойной
обмоткой
проводом
в
хлорвиниловой
изоляции
нагреваются
на
поверхности
на
10-
300.
При
одностороннем
излучении
в
жидкость
преобразователь,
контак
тирующий
с
ней
одной
своей
торцовой
поверхностью,
естественно,
нагре
вается
еще
сильнее.
При
этом
в
сердечнике
могут
возникать
заметные
тем
пературные
градиенты.
Расчет
показывает,
что эти
градиенты
в
ферритах
ввиду
их
меньшей
теплопроводности
приблизительно
в
10
раз
превыmают
градиенты
в
никеле
при
одинаковой
интенсивности
излучения
и
с
учетом
разницы
в
эффективности
(коэффициент
теплопроводности
для
никеля
составляет
58 ·10-2
вт/с,м,
ос,
а
для
ферритов
3,5 ·10-2
вт/с,м,
ос).
Таким
образом,
при
рассмотрении
ферритов
как
материала
для
преоб
разователей
нельзя
ограничиваться
значениями
их
характеристик,
соот
ветствующих
комнатной
температуре.
Необходимо
знать
и
температурную
зависимость
их
свойств
[35, 53].
Такая
зависимость
коэффициента
связи
и
резонансной
частоты
jp
в
ии
тервале
от
О
до
1200
представлена
на
рис.
4
для
феррита
21
и для
двух
фер-
:1.23
ритов
42
и
41
с
компенсацией
магнитокристаллической
анизотропии
(на
помним,
что
компенсация
достигается
при
определенной
температуре,
tI\ОМП,
за
счет
добавки феррита
кобальта).
Температура
компенсации
фер
рита
42
соответствует
200,
а
феррита
41
-
лежит
немного
ниже
00.
Из
рис.
4
видно,
что
улучшение
констант
преобразования
при
tl\ОМП
снижает
вместе
с
тем
температурную
стабильность
свойств
материала,
так
как
точ-
о,З2
./'
~
r-
......
1--
---
4/
21
0,24
--
~-
--
о,
'IJ
~/
--
-
......
//
42
0,08
о
20
40
r!!-
--
_21
1=".-
--
--
-
--Копт
--t'p
f-
f-
ка
компенсации
является
экстре-
tp,Keq
мальной
для
температурных
кривых.
В
этой
точке
(или
вбли-
28,00
зи
нее),
наряду
с
максимумом
К
и
минимумом
fp,
наблюдается
так-
25,00
'1
Л
В
же
максимум
/-t,
/\',
•
ыше
tl\OMIl
24,00
имеется
интервал,
в
котором
свой
ства
мало
меняются
с
температу-
2~00
рой
(интервал
от
60
до
1000
для
феррита
41).
Однако
этот
интервал
Рис.
4.
Зависимость резонансной
частоты
!р
и
коэффициента
магнитомеханическоп
невелик
,
поэтому
для
стабильной
работы
в
широкой
области
темпе
ратур
следует
рекомендовать
фер
риты
без
добавки
кобальта.
С
точ
ки
зрения
акустических
примене
ний
феррит
21
обладает
хорошей
стабильностью
свойств:
в
интерва-
связи
при
оптимальном
подмагничивании
Копт
от
температуры
t
O
для
ферритов
21,
41
и
42
ле
от
О
дО
100
0
С
температурный
коэффициент
резонансной
частоты,
т.к.
fp
составляет
для
него
- 6 ·10-5,
Т.к.
Копт
=
+3
·10-5,
а
т.к.
Лопт
= +
1·10-4.
.
Предельная
рабочая
температура
магнитострикционных
материалов
определяется
точкой
Кюри,
значения
которой
приведены
в
табл.
3.
Из
этих
данных
видно,
что
температура
Кюри
лежит
для
большинства
фер
ритов
выше
5000,
поэтому
они
могут,
вообще
говоря,
применяться
при
очень
высоких
температурах.
В
табл.
4
даны
максимальные
отклонения
~
основных
констант
и
резонансной
частоты
f
р
образца
из
наиболее
ста
бильного
феррита
21
при
изменении
температуры
в
различных
пределах,
отнесенные
к
значениям
этих
величин
при
200
(эти
значения
обозначены
индексом
20).
Таблица
4
Максимальные
отклонения
основных
констант
и
резонансной
частоты
образца
феррита
21
в
различных
температурных
интервалах
Интервал
дfJ-,
% I
д!р
, % I
ДК
К
, %
д~
o/t
дА
, %
11.
f
~20'
О
\.
температур,
,.-20
Р20
20
1\
i 20
·е
20-300
20-400
20-500
-12
-20
-6Q
-1
-1
-1
ОТl\лонеНИfI,
%
+5
+8
+5
от
+5
до-10
+8
от
+5
До-20
от
+5
до,-10
от
+8
ДО-2а
от
+5
До-60
Тангенс
магнитных
потерь
и
механическая
добротность
изменяются
с
ростом
температуры
не
очень
сильно:
при
4000
величина
Q
падает
не
более
чем
на
20
%,
а
при
5000 -
не
более
чем
на
40 %
от
своего
значения
при
комнатной
температуре.
Эти
данные
относятся к
колебаниям
с
малой
амплитудой.
Измерения
преобразователей
из
феррита
21,
колеблющихся
с
амплитудой
механического
напряжения
около
100
~г/CM2,
показали,
что
с
ростом
температуры
от
20
до
1000
добротность
их
заметно
возрастает
[54].
t.2~
По
дaHНЬJM
табл.
4
при
помощи
формул,
связывающих
свойства
излу~
чателей
с
хараRтеРИСТИRами
материала,
можно
оценить
температурный
уход
свойств
излучателя
из
феррита
21.
Для
резонансного
излучателя
этот
уход
связан
как
с
изменением
магнитострикционных
констант,
так
и
с
уходом
частоты,
причем
влияние
последнего
фактора
сильно
зависит
от
добротности
преобразователя,
определяемой
внешней
нагрузкой,
и
мо
жет
быть
уменьшено
путем подстройки
частоты
питающего
генератора.
При
излучении
в
воду
добротность
преобразователя
имеет
величину
10-20.
В
этих
условиях
акустическая
мощность
преобразователя
из
фер
рита
21
при
неизменном
возбуждающем
напряжении
и
неизменной
часто
те
генератора
в
интервале
до
4000
изменяется
не
более
чем
на
10
%,
а
в
ин
тервале
до
5000 -
падает
на
50
%.
Падение
может
быть
уменьшено
до
20
%
подстройкой
частоты
генератора.
При
работе
излучателя
с
малой
наг
РУЗRОЙ
(в
установках
резания,
сварки),
когда
Q
>-
100,
влияние
темпе
ратурного
ухода
частоты
оказывается
еще
сильнее,
в
этом
случае
просто
необходимо
применять
питающий
генератор
с
автоматичеСRОЙ
подстрой
RОЙ.
§
8.
Свойства
ферритов
при
&ОdЬШИХ
а,ИПdитудах
индукции
и
иеханическоrо
вапраmевии
В
литературе
оценка
магнитострикционных
материалов
и
сравнение
их
между
собой,
как
правило,
производятся
по величине
динамических
характеристик,
соответствующих
малым
амплитудам
индукции
и
напря
жения.
При
этом
магнитострикциониые,
магнитные и
упругие
характери
стики
можно
считать
Rонстантами,
зависящими
только
от
подмагничиваю
щего
поля.
Такой
линейный
подход
позволяет
широко
пользоваться
ме
тодом
эквивалентных
схем
при
рассмотрении
работы
преобразователей
и
расчете
их
режимов.
Определение
хараRтеРИСТИR
материалов
в
линейном
режиме
достаточно
просто:
значение
их
можно
вычислить,
если
известна
частотная
зависимость
электрического
импеданса
катушки,
намотанной
на
сердечник
из
исследуемого
материала
(для
получения
точных
значе
ний
-
на
кольцевой
сердеЧНИR).
Этот
метод
широко
известен
(см.,
напри
мер,
работы
[1, 7, 8, 14])
и
повсеместно
применяется.
Он
использовался
и
при
определении
характеристик
ферритов,
приведенных
в
§ 1
и
2
настоя
щей
главы.
Часто
полученные
таRИМ
образом
при
малых
амплитудах
значения
характеристик
ЭRстраполируют
на
рабочий
режим
излучателей,
когда
амплитуда
механических
напряжений
составляет
от
десятков до
нескольких
сотен
Jl,г/с:м,2,
а
амплитуда
индукции
достигает
тысяч
гаусс,
приближаясь
к
величине
Е
а
.
Однако
такую
экстраполяцию
следует
производить
с
осторожностью,
а
оцеНRУ
материалов
по
характеристикам,
измеренным
при
малых
амплитудах,
следует
рассматривать
лишь
KaR
предварительную,
потому
что
магнитострикционные
материалы
харак
теризуются
заметной
нелинейностью
свойств.
Под
нелинейностью
подразумевается
зависимость
магнитной
прони
цаемости,
механических
и
магнитных
потерь,
упругих
и
магнитострик
ционных
характеристик
от
амплитуды
механического
напряжения
и
ин
дукции,
иначе
говоря,
явления,
описываемые
членами
третьего
порядка
в
разложении
термодинамического
потенциала.
Эта
нелинейность
обуслов
лена
доменной
природой
происходящих
процессов,
она
характерна
для
всех
магнитострикционных
материалов,
а
в
ферритах
проявляется
особен
но
сильно
ввиду
их
низкой
индукции
насыщения.
Нелинейность
приво
дит
R
снижению
к.п.д.
и
чувствительности
излучателя
с
ростом
мощности
и
является
одной
из
причин,
ограничивающих
интенсивность
излучения
ферритовых
преобразователеЙ.
По
вопросам,
связанным
снелинейностью
магнитострикционных
пре
образователей,
в
литературе
имеется
немного
работ.
Можно
назвать
1.20
работу
Хувера
[55])
в
RОТОРОЙ
отмечается
изменение
свойств
преобразовате
ля
из
НИRеля
с
ростом
амплитуды,
работу
Вайма
рна
[56],
посвященную
ис
следованию
зависимости
маГНИТОСТРИRЦИОННОЙ
нонстанты
НИRеля
от
ам
плитуды
ИНДУRЦИИ.
Нелинейные
свойства
излучателей
из
ферритов
были
рассмотрены
в
работе
[57];
Ван
дер
Бургт
[58]
упоминает
о
зависи
мости
tg~,
Q
и
резонансной
частоты
ферритов
7
А1
и
7
А2
от
амплитуды;
о
нелинеиности
маГНИТОСТРИRЦИОННЫХ
свойств
ферритов
говорится
в
ра
боте
СЫРRина
[36
J.
Нешшейность,
проявляющаяся
в
зависимости
модуля
Юнга
Е
и
меха
нической
добротности
Q
от
амплитуды
механичеСRОГО
напряжения
а
и
в
зависимости
магнитострикционной
хараRтеристики
л
от
амплитуды
ин
ДУRЦИИ
В,
изучалась
на
ферритах
21, 41,
42
и
38
[59].
При
исследовании
Генератор
W\МJ\.
МоiJулятОjl
-'VIJ\Г-1\МГ
Усилитель
f!JМСjllLтель
частоты
Рис.
5.
БЛОR-схема
измерений
нелинейных
свойств
ферритов.
О
-
образец.
А
-
акселерометр.
И
-
измерительная
.ка
тушка,
В
-
возбуждающая
.катуш.ка
зависимости
хараRтеРИСТИR
от
амплитуды
нельзя
ограничиваться
измере
ниями
на
элеRтричеСRОЙ
стороне,
определяя
ТОЛЬRО
импеданс
образца,
необходимо
непосредственно
измерять
амплитуду
механичеСRИХ
Rолеба
ний.
Измерения
ферритов
21, 41,
42
и
38
производились
на
образцах,
име
ющих
форму
ДЛИННЫХ
ТОНRИХ
стержней,
Rолебания
ноторых
возбуждались
на
основе
маГНИТОСТРИRЦИОННОГО
эффеRта.
При
помощи
плаСТИНRи-аRсе
лерометра
из
пьеЗОRераМИRИ
измерялась
амплитуда
Rолебаний
торцов
стержней
~,по
величине
RОТОРОЙ
вычислялось
значение
а
в
середине
стерж
ня.
Здесь
же
на
стержень
свободно
надевалась
измерительная
RаТУШRа,
по
напряжению
на
RОТОРОЙ
определялась
амплитуда
ИНДУRЦИИ
В.
БЛОR-схема
измерений
представлена
на
рис.
5.
Переменное
поле
создавалось
Rатуш
RОЙ
возбуждения,
в
RОТОРОЙ
образцы
помещались
на
двух
Rапроновых
ни
тях.
Эта
же
RаТУШRа
использовалась
для
создания
подмагничивающего
поля
Н
о,
величина
которого
оценивалась
с
учетом
фаRтора
размагничи
вания.
Чтобы
избежать
нагревания
образцов,
применялся
импульсный
режим
возбуждения.
Все измерения
производились
с
помощью
осцилло
графов;
при
наличии
ИСRажений
формы
сигнала
значения
~
и
В
оценивались
по
первой
гаРМОНИRе,
для
чего
применялись
соответствующие
фильтры.
Ве
личины
Е
и
Q
определялись
на
резонансных
Rолебаниях
образцов:
Е
по
резонансной
частоте
jp
(с
учетом
фаRтора
размагничивания),
Q-по
за
нону
спадания
амплитуды
свободных
Rолебаний
в
промеЖУТRах
между
возбуждающими
импульсами.
Условия
ЭRсперимента
были
тановы,
что
определяемыми
величинами
были
ЕН
и
QH,
т.
е.
величины,
соответствую
щие
режиму
«холостого
ходЗ»
или
~
изменного
значения
магнитного
поля.
126
При
выяснении
зависимости
Е
и
Q
от
а
использовалось
значение
а
п
в
пучности
колебаний,
т. е.
в
середине
образца:
а
п
=
2Лjр
ac~.
Измерения
СВОЙСтв
материала
по
резонансным
колебаниям
стержневых
образцов
имеют
определенные
недостатки
из-за
неоднородного
распре
деления
амплитуды
колебаний
по
длине,
однако
они
представляют
прак
тический
интерес,
так
как
подавляющее
большинство
сердечников
имеет
стержневую
форму.
Кроме
того,
общие
закономерности
зависимости
Е
и
Q
от
а
можно
проследить
при
любом
распределении
амплитуд,
если
оно
остается
неизменным.
4
f--
__
--+---
Х
zf
041
.42
81------*!-----г----t----j
100
200
Рис.
6.
Зависимость
относительного
из
менения
модуля
Юнга
Е
Н
магнитострик
ционных
ферритов
21,
41
и
42
от
амп
литуды
механического
напряжения
О'п
при
оптимальном
подмагничиваНИИ
1
Q"ПРUН
опm
t;"npIlHo=JOOJ
~-----,-------т----~
~----jБООО
500
1--\----+-----\--_1
4000
250
I---~:------I------+-----I
200
б"п
кг/сн
г
. ,
о
200
Рис.
7.
Зависимость
механической
доброт
ности
QH
феррита
21
от
амплитуды
механи
ческого
напряжения
<1п
при
оптимальном
подмагничивании
и при
Но
= 300
а
Представленные
на
рис.
6
изменения
модуля
Юнга
с
ростом
ап
отнесены
к
его
значению
при
а
п
= 1
""г/еж
2
•
Зависимость
эта
соответствует
оптималь
ному
подмагничиванию.
При
Но
= 300
э, т.
е.
вблизи
насыщения,
изме
нений
ЕН
в
пределах
точности
эксперимента
установлено
не
было.
Наблю
даемое
с
ростом
а
п
уменьшение
ЕН
при
Н
опт
связано
с
явлением
гистерезиса
[58, 41].
Это
уменьшение
тем
заметнее,
чем
больше
величина
К
матери
ала.
Для
ферритов
с
большим
коэффициентом
связи
эффект
изменения
модуля
Юнга
необходимо
учитывать
при
расчете
резонансной
частоты
мощ
ных
излучателей.
Величина
относительного
изменения
Е,
наблюдавшаяся
на
ферритах,
несколько
меньше,
чем
в
опытах
Герсона
на
пьезоэлектри
ческой
керамике
[60],
где
это
изменение
достигало
25 %
при
увеличении
амплитуды
напряжения
до
200
""г/еж
2
•
Однако
следует
иметь
в
виду, что
в
опытах
с
керамикой
распределение
напряжений
было
однородным,
а
с
ферритами
максимальное
значение
а
достигалось
только
в
середине
стержня.
Ход
зависимости
QH
от
а
п
,
пре,tl;ставленный
на
рис.
7
для
феррита
21,
типичен
для
всех
магнитострикционных
ферритов:
при
оптимальном
ПО,tl;
магничивании
наблюдается
быстрое
па,tl;ение
добротности
с
ростом
а
п
;
при
сильном
подмагничивании,
вблизи
насыщения,
добротность
падает
значительно
меньше.
Зависимость
QH
от
а
п
при
оптимальном
подмагничи
вании
выражена
тем
сильнее,
чем
больше
величина
К
материала.
Это
вид
но
из
табл.
5,
где
приведены
значения
QH
дЛЯ
четырех
типов
ферритов.
При
Н
о
=300
э
очень
высокой
добротностью
отличаются
ферриты
38
и
42.
Этот
факт
можно
объяснить
большой
крутизной
кривых
намагничивания
этих
ферритов,
вследствие
чего
они
насыщаются
быстрее других,
так
что
при
н
о
=
300
э
их
добротность
близка
к
собственной
механической
добротности
керамини,
в
которой
заторможены
доменные
процессы.
:127
Таблица
5
Добротность
ферритов
(J"
при
различных
амплитудах
механического
напряжения
Тип
Подмагни-
Амплитуда
механичес.кого
напряжения
оno
nг/см
2
феррита
чивание
I
I
I
I
I
I
5
10
50
100
150
200
250
21
Н
опт
670
640
375 175
95 55
Но
= 300
э
670О
6600 6250
5950
5600
5'350
5100
41
Нот
320
3QO
225
18О
155
135 120
Но
= 300
э
5300 5500 4500
4100
3950
3800 3700
42
Н
опт
135
100
40
20
Но
= 300
э
30000 28500 24500
22000
20500
190QO
17700
38
Н
опт
3460 3420 3180 2980 2850 2750
2660
Но
= 300
э
31700 31500 31000
I
30500 29800
2940Q
Данные
по
зависимости
добротности
от
амплитуды,
от
величины
под
магничивающего
поля
и
коэффициента
связи
материала
соответствуют
предположению
о
том,
что
механические
потери
в
магнитострикционных
ферритах
обусловлены
доменными
процессами,
и,
поскольку
токи
Фуко
отсутствуют,
связаны
в
основном
с
необратимыми
гистерезисными
явле
ниями.
Эти
данные
имеют
практическое
значение
для
оценки работы
феррито
вых
излучателей.
Они
свидетельствуют
о
снижении
механо-акустического
к.П.Д.
с
ростом
амплитуды.
Обращает
на
себя
внимание
резкое
возраста
ние
потерь
для
феррита
42:
при
а
п
= 100
к,г/см
2
добротность
свободного
образца
делается
сравнимой
по
величине
с
добротностью
нагруженных
на
воду
преобразователеЙ.
Это
подтверждает
высказанное
ранее
сообра
жение,
что
при
выборе
материалов
для
преобразователей,
предназна
ченных
к
работе
в
режиме
интенсивных
колебаний,
нельзя
ограничи
ваться
оценкой
их
по
величине
коэффициента
связи,
измеренного
к
тому
же
при
малых
амплитудах.
Необходимо
принимать
во
внимание
потери
и
учитывать
нелинейные
свойства
материала.
Сравнение
полученных
результатов
с
опытами
Герсона
[60]
показывает,
что
добротность
ферритов
падает
с
ростом
амплитуды
заметнее,
чем
доб
ротность
керамики
PZT:
с
возрастанием
амплитуды
напряжений
до
200
к,г/см
2
добротность
пьезоэлектрической
керамики
ум:еньшалась
в
4 - 5
раз.
При
исследованиях
зависимости
магнитострикционной
постоянной
л
от
амплитуды
индукции
В
величина
л
определялась
как
отношение
а
к
В
при
колебаниях
стержня
на
частоте
значительно
ниже
резонансной.
Величина
а
вычислялась
при
этом
по
формуле
2~EH
[
kl
sin
kl
]
а
= 1
(1-К2)
2 (cos
kl
-1)
,
полученной
на
основании
уравнения
колебаний
однородного
ненагружен
ного
магнитострикционного
стержня
длины
l
(здесь
k-
волновое
число)
[48].
Исследования
показали,
что
величина
л
для
всех
образцов
и
всех
значе
ний
Н
о
монотонно
падает
с
ростом
амплитуды
индукции.
Типичный
ход
этой
зависимости
можно
видеть
на
рис.
8.
В
табл.
6
представлено
относи
тельное
изменение
магнитострикционной
константы
с
ростом
амплитуды
индукции
для
ферритов
21, 38
и
42
при
оптимальном
подмагничивании,
при
Н
о
=
30
э
(т.
е.
при
Но.
несколько
превыmающем
оптимальное).
:1.28
Таблица
6
Относительное
изменение
маГНИТОСТРIllЩИОННОЙ
константы
(В
%)
с
ростом
амплитуды
индукции
ПОДМ"н~и""н"'1
Амплитуда
ИНДУIЩИИ
Н,
гс
Феррит
I
I
I
1400
I
I
140
280
700
2100
21
Н
опт
О
15 40
60
75
Но
= 30
э
О
10
40
60
70
Остаточное
15 40
65
90
-
38
Н
опт
О
О
О
5
10
НО
= 30
а
О
О
5
10
35
Остаточное
О О
О
О
~
42
Н
опт
О
15
4Q
60
75
НО
= 30
а
О
20
45
65
75
Остаточное
О
30 55
60
-
I
2800
80
8Q
-
20
45
-
80
85
-
и
при
остаточной
намагниченности.
Изменения
величины
А
отнесены
к
ее
значению
при
В
<"
10
гс.
Из
данных
табл.
6
следует,
что
изменения
л.
для
ферритов
21
и
42
весьма
близки.
Такие
же
изменения
наблюдались
и
для
феррита
41.
Эти
три
типа
ферритов
обладают
близкими
значениями
индукции
и
маГНИТОСТРИRЦИИ
Л.
'f0
4
UIlH
/СН
z.
гс
Рис.
8.
3ависимость
магнитострик-
ционной
константы
')..
для
феррита
Z
21
от
амплитуды
магнитной
ин-
дукции
В
t
о
1000
2000
8,
гс
насыщения
(см.
табл.
3),
а
различаются
величиной
проницаемости
и
коэф
фициента
связи
при
малых
амплитудах
вследствие
разной
маГНИТОRристал
личеСRОЙ
анизотропии.
Для
феррита
38,
отличающегося
более
ВЫСОRИМ
значением
ИНДУRЦИИ
насыщения
и
в
три
раза
меньшей
маГНИТОСТРИRцией
насыщения,
;величина
А
изменяется
с
ростом
индукции
значительно
мень
ше.
На
основании
этих
данных
можно
предположить
,что
основное
влияние
на
нелинейность
динамичеСRИХ
маГНИТОСТРИRЦИОННЫХ
свойств
ОRазыва
ет
величина
ИНДУRЦИИ
насыщения.
При
расчете
маГНИТОСТРИRЦИОННЫХ
колебаний
применяют
тан
назы
ваемое
маГНИТОСТРИRционное
напряжение
ам
=
АВ.
Эта
величина
встре
чается
в
работах
Гутина
[48J,
Ваймарка
[56]
и,
др.
Произведение
ее
на
площадь
поперечного
сечения
сердеЧНИRа
рассматривается
нан
вынуждаю
щая
сила
при
Rолебаниях
маГНИТОСТРИRЦИОННОГО
сердеЧНИRа,
нагружен
ного
на
заданное
сопротивление.
Величину
ам
удобно
использовать
при
оценне
предельной
интенсивности
излучателей,
обусловленной
нелиней
ностью
свойств
материала
(см.
следующую
главу).
Зависимость
величины
а
м
от
В
ПОRазана
на
рис.
9,
отнуда
видно,
что
для
феррита
21
она
имеет
маRСИМУМЫ
при
всех
значениях
подмагничиваю
щего
поля.
ТаRие
же
максимумы
и
при
тех
же
значениях
амплитуды
9,
ИСТОЧНИRИ
ультраЗВУRII
:129
индукции
(примерно
равных
0,5
вв)
имеют
место
для
ферритов
41
и
42.
Ве
личина
максимальных
значений
магнитострикционного
напряжения
(ом.
liт)
возрастает
с
увеличением
Но.
В
табл.
7
приведены
эти
предельные
значе
ния
магнитострикционного
напряжения
и
соответствующие
значения
ам
плитуды
индукции
В
liш
для
трех
типов
ферритов.
11,
5
t---t--r----t---i
f
5,
5
r----t--I---=;;---f---:;--<-i
12,5
10,0
I-f-+-~"г-::-~---"of------,I''----':--t''----i
1,5hhhh~~~~~~+-~~
5,0~~~~-+--~~~r---~
г,51fНJ.~-+-
O~--'-----'--L...;;.---L._-'----L----'
БМ,О{jн/снг
1000
гооо
.3000
В,
гс
':'j!t
..
,
...
-
2000
4000
60008,
гс
Рис.
9.
Зависимость
амплитуды
магни
тострикционного
напряжения
а
м
от
ам-
Рис.
10.
Зависимость
амплитуды
магни
тострикционного
напряжения
а
м
от
амп-
плитуды
индукции
В
для
ферритов
21
и
38
литуды
индукции
В
для никеля
[56J)
Для
феррита
38,
обладающего
более
высокой
индукцией
насыщения,
максимум
лежит,
по-видимому,
за
пределами
амплитуд
индукции,
исполь
зованных
в
данном
эксперименте.
Характерно,
что
при
В
=
2500-3000
гс
в
феррите
38
раЗБиваются
большие
по
величине
магнитострикционные
т
а б
J1
И
Ц
а
7
Предельные
значения
магнитострикционного
напряжения
и
соответств
Jющей
амплитуды
индукции
Подмэг-
Преде_,ьное
маг-
АМП,;Iитуда
Ферриг
ничивание
нитострикцион-
ШIДукции
HJe
напряшение
Вliш'
гс
Но,
Э
Ом,
Нт'
1>гjсм}
I
21
6,5
8,5
1750
19
14,0
1750
30
14,5
1750
41
7
12,5
1760
16
15'
1600
36
17,5
1600
42
18
15,5
1700
32
16
1700
усилия,
чем
в
феррите
21,
и
поэтому
интенсивность
излучения
при
одина
ковой
нагрузке
для
преобразователей
из
феррита
38
должна
быть
при
та
ких
амплитудах
выше,
чем
для
преобразователей
из
феррита
21.
В
то
же
время
при
В
<
В
1iШ
излучатели
из
феррита
38
значительно
менее
эффек
тивны,
чем
излучатели
из
ферритов
21
и
42.
Этот
факт
лишний
раз под
тверждает,
что
при
выборе
материалов
для
излучателей,
предназначенных
к
работе
в
режиме
интенсивных
колебаний,
величина
их
характеристик,
t
ПА