Магнитострикционные преобразователи
Работа магнитострикционных преобразователей основана на эффекте магнитострикции, т. е. изменении размеров и формы тела при его намагничивании, которым обладают сплавы с высокой магнитной проницаемостью, используемые для изготовления преобразователей. Наибольшим магнитострикционным эффектом обладает сплав марки 49К2Ф. Этот материал обладает высокой точкой Кюри, что является важным преимуществом, так как преобразователи, изготовленные из такого материала, могут устойчиво работать при значительной температуре охлаждающей их воды, а иногда и без водяного охлаждения. Этот сплав широко применяют для изготовления преобразователей ультразвуковых станков.
Величина магнитострикционной деформации весьма мала и характеризуется относительным удлинением Dl/l. Характерно, что преобразователи, изготовленные из сплава марки 49К2Ф, при намагничивании удлиняются, а из никелевых сплавов - укорачиваются. Эта величина зависит от температуры среды, в которой работает преобразователь. С повышением температуры деформация снижается, а в точке Кюри совершенно исчезает. Для сохранения магнитострикционных свойств преобразователей, их необходимо охлаждать в процессе работы; для этого применяют проточную воду. Практически амплитуда на торцах магнитострикционных преобразователей не превышает 5 мкм.
Рнс. 11. Одностержневой (а) и двухстержневой (б) магнитострикционные преобразователи: 1 - стержень, 2 - накладка
В ультразвуковых установках наиболее часто применяют одно- и многостержневые преобразователи (рис. 11). Одностержневой преобразователь имеет разомкнутый магнитный поток (показан пунктиром со стрелками). Эти преобразователи обладают низким к. п. д. из-за больших потерь. Лучшими являются двухстержневые преобразователи, имеющие замкнутую магнитную цепь; их наиболее часто применяют в ультразвуковых установках. Конструктивно магнитострикционные преобразователи из металлических материалов представляют собой набор пластин, собранных в пакет.
Работа магнитострикционных преобразователей сопровождается различными потерями энергии, которая преобразуется в теплоту. Некоторые потери удается Снизить до минимума, применяя тонколистовые пластины толщиной 0,1-0,2 мм.
Размеры магнитострикционного преобразователя рассчитывают в зависимости от требуемой мощности и рабочей частоты. При этом необходимо учитывать, что к. п. д. магнитострикционного преобразователя обычно не превышает 0,5. Поэтому акустическая мощность, излучаемая преобразователем, примерно в два раза меньше электрической мощности, подводимой для его питания. Необходимо отметить, что размеры сечения пакетов преобразователей должны быть значительно меньше половины длины волны, т. е. l/2. Иначе из-за наличия поперечных колебаний пакета не удается добиться его эффективной работы.
Рис. 12. Пластина цилиндрического магнитострикционного преобразователя
Кроме стержневых получили распространение на практике кольцевые магнитострикционные преобразователи, представляющие собой пакет тонколистовых пластин- колец (рис. 12). Пластина имеет отверстия для размещения обмотки; провод пропускают через эти отверстия и по наружной образующей колец. Иногда наружный контур кольца выполняют с пазами, куда укладывают провод.
Магнитострикционным эффектом обладают также ферриты. Изготовленные из ферритов магнитострикционные преобразователи отличаются малым расходом электрической энергии, отсутствием необходимости подмагничивания постоянным током и малым температурным коэффициентом. Весьма важно, что ферритовые преобразователи могут работать при температурах до +300-450 °С без принудительного водяного охлаждения.
Рис. 13. Ферритовый преобразователь: 1 - сердечник, 2 - постоянный магнит
Типовой ферритовый преобразователь и его основные размеры приведены на рис. 13. Он состоит из двух сердечников, имеющих резонансную частоту 23 кГц. Между ними расположены постоянные магниты из феррита БА-2. После склейки и сушки преобразователь шлифуют по торцам и к нижнему его торцу приклеивают фланец из титанового сплава, обладающего близким к ферриту коэффициентом линейного расширения. На выходном торце фланца выполняют резьбовое отверстие для присоединения концентратора, а на его боковых поверхностях- лыски под ключ с целью удержания преобразователя от проворота при креплении к нему концентратора с помощью резьбового соединения.
Несмотря на указанные преимущества, ферритовые преобразователи пока редко применяют в ультразвуковых станках, что можно отчасти объяснить сложностью получения в производственных условиях надежного соединения преобразователя с фланцем.
