4.13. МАГНИТОСТРИКЦИОННЫЕ ИЗЛУЧАТЕЛИ

Общая характеристика

Магнитострикционные излучатели применяются для излучения колебаний в жидкости и твердые тела. Наибольшее распространение они получили в ультразвуковой технологии, а также в некоторых морских акустических приборах: эхолотах, рыболокаторах.

Механическая система магнитострикционного излучателя обладает высоким механическим сопротивлением и может развивать большие механические усилия, но при сравнительно небольших амплитудах колебаний. Для эффективного использования магнитострикционного излучателя требуется подсоединить к нему большое сопротивление нагрузки. Сравним волновые сопротивления воздуха, воды и стали с волновым сопротивлением магнитострикционного материала — никеля:

(см. скан)

Отсюда видно, что волновое сопротивление воздуха в 100 000 раз, воды — в 30 раз меньше волнового сопротивления никеля, а волновые сопротивления стали и никеля практически одинаковы. Это означает, что переход энергии звуковой волны из никеля в воздух весьма затруднен, в воду передача происходит во много раз лучше, а в сталь волна из никеля проходит практически без отражения от места соединения.

Условия излучения энергии упругим телом в жидкость существенно улучшаются, если излучающее тело колеблется на резонансной частоте. Так, например, внутреннее сопротивление свободно колеблющегося на резонансе полуволнового стержня, как генератора механической энергии, падает во столько раз, сколько составляет добротность никелевого стержня. Добротность может достигать так что сопротивление полуволнового вибратора из никеля, приведенное к пучности колебаний, составит всего Это даже много меньше, чем волновое сопротивление воды, так что эффективная нагрузка магнитострикционного излучателя жидкостью легко осуществляется. Согласование при излучении в воздух даже при высокой добротности на резонансе оказывается плохим.

Наиболее распространенные конструктивные формы магнитострикционных излучателей — это стержневой и кольцевой излучатели. Принципиальная конструктивная схема стержневого

Рис. 4 44. Ярмо магнито-стрикционного излучателя; а — излучение обеими накладками; б - излучение одной накладкой; в — несимметричное ярмо

излучателя представлена на рис. 3.12 (см. параграф 3.10). Излучающими поверхностями являются торцы накладок, соединяющих стержни, несущие обмотки. В жидкость может быть погружен только один торец, а другой свободен. В некоторых случаях второй торец крепят неподвижно к массивному основанию. Накладка, излучающая колебания, может быть достаточно толстой, чтобы создать дополнительную массу в механической колебательной системе и тем самым понизить ее резонансную частоту. Если излучающая поверхность должна быть очень большой, то может оказаться удобным сделать ярмо из нескольких стержней (3, 4 и более), соединив их общей накладкой (см. рис. 4.44). Накладка должна быть достаточно толстой, чтобы ее изгиб не мог влиять на излучение звука.

Во избежание необходимости подавать в обмотку преобразователя дополнительный постоянный ток, смещающий рабочую точку на кривой намагничения, в ярмо иногда врезают дополнительный постоянный магнит.

Кольцевой излучатель представляет собой ярмо из магнитострикционного материала в виде кольца, вокруг которого уложена обмотка (рис. 4.45). Для того чтобы обмотка не влияла на передачу колебаний боковой поверхностью кольца в окружающую среду, ее витки пропускаются через специальные отверстия, смещенные как можно ближе к внешней стороне кольца, но так, чтобы не снизить жесткость поверхности кольца. При пропускании переменного тока через обмотку кольцо периодически растягивается и сжимается, совершая радиальные колебания и излучая своей боковой поверхностью. Если стержневой излучатель может создавать направленное излучение в виде более или менее узкого пучка, то кольцевой, естественно, излучает равномерно во все стороны в плоскости, перпендикулярной его оси, и может создавать направленность излучения только в плоскости, проходящей через ось кольца. В некоторых случаях для получения узкого пучка излучения от кольцевого излучателя его помещают в конический отражатель. Рисунок 4.456 поясняет принцип действия такого отражателя. Для работы в жидкости отражатель можно

сделать в виде полого конуса из тонкого металла. Если металлический лист достаточно тонок, так что сопротивление погонной массы его мало по сравнению с волновым сопротивлением воды, то этот лист практически не влияет на процесс отражения волн.

Рис. 4.45 Кольцевой магнитострикционный излучатель: а — ярмо с обмоткой; б - ярмо излучателя в отражателе

Тогда благодаря большой разнице в волновых сопротивлениях жидкости и воздуха, заполняющего конус, звуковые волны полностью отражаются конусом обратно в жидкость.