Методические указания к лабораторно-практическому занятию “Расчет магнитострикционного преобразователя”

МИНИСТЕРСТВО СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА РФ

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРАРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра электрификации и автоматизации сельского хозяйства

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ

к лабораторно-практическому занятию

“Расчет магнитострикционного преобразователя”

для студентов специальности

311400 - электрификация и автоматизация сельского хозяйства

Новосибирск 2002

1.  Общие сведения

Ультразвук, как и слышимый звук, представляет собой упругие колебания и волны, т.е. чередующиеся во времени процессы механического сжатия и разряжения, распространяющиеся в твердой, жидкой и газообразной средах. Область ультразвуковых колебаний - область неслышных частот от 15...20 кГц до 10 ⁹ Гц.

Ультразвук в сельскохозяйственном производстве нашел применение в процессах пастеризации молока, биологической стабилизации виноградных соков и натуральных полусладких вин,  консервировании сельскохозяйственных продуктов, оценке качества яиц, мойке пшеницы при подготовке ее к помолу, мойка стеклянной тары, стимуляции и подавлении биологических процессов, отпугивании насекомых, грызунов и птиц, очистке поверхности металических деталей, для лечения и профилактики животных. Ультразвуковые установки состоит из преобразователя, акустического трансформатора (концентраты), деталей их кре6пления и источника питания. Наиболее распространенными преобразователями являются электроакустические преобразователи на основе магнитострикционного и пьезоэлектрического эффекта.

 В качестве источников питания ультразвуковых установок являются ультразвуковые генераторы - это устройства, предназначенные для преобразования электрической энергии переменного тока промышленной частоты в энергию тока высокой частоты, равной частоте ультразвука.

Магнитострикционные преобразователи представляют собой стержень, помещенный в катушку, питаемому высокочастотным электрическим током. Стержень при этом удлиняется и укорачивается с частотой тока. Магнитострикционная деформация зависит от напряженности магнитного поля, температуры и материала. Для ферромагнетиков отношение l/l составляет10^-6..10⁵,а для ферритов-10^-4..10^-3,   где l - абсолютное изменение размеров, l - начальный размер тела (рис. 1).

l / ( l×10^-5 )

            10                              30                               50                              70    H, кА/м          

Рис. 1. Продольная деформация некоторых материалов при магнитострикции:

1 - 54 % Pt , 46 % Fe; 2 - 70 % Co, 30 % Fe; 3 - железо; 4 - никель.

При возрастании напряженности магнитного поля увеличивается размеры тела для платины и кобальта с железом и уменьшается для никеля. Под действием периодического намагничивания стержень магнитострикционного материала периодически изменяет свою длину с удвоенной частотой (рис. 2а) по сравнению с частотой колебаний возбуждающего магнитного поля и магнитострикционная деформация будет небольшой. Для линеаризации характеристики магнитострикционного эффекта а также для выбора оптимального положения рабочей точки, преобразователь подмагничивают напряженностью Н_о (рис. 2б). При выборе этой точки на наиболее крутом участке кривой магнитострикции можно получить максимальную  деформацию. Амплитуда переменного поля должна всегда оставаться меньше значения постоянного поля. Поэтому напряженность поля подмагничивания должна быть примерно в  раза больше эффективного значения переменного тока.

Рис. 2. Воздушные колебания в магнитострикционном преобразователе (вверху - без подмагничивания, внизу - с подмагничиванием постоянным током).

Максимальное значение мощности и КПД преобразователя возможны в том случае, если размеры элементов пластин, из которых собирают пакет, имеют определенные соотношения. Высота поперечных накладок должна быть минимально допустимой, так как из-за них снижается эффективность работы излучателя. Для уменьшения влияния поперечных колебаний ширину С_о окна выбирают минимальной, ширина в пластине не должна превышать половины длины волны, а оптимальную ширину а стержня устанавливают экспериментально (рис. 3). Длину l преобразователя определяют из условия резонанса, наступающего тогда, когда на ней “ укладывается “ одна полуволна l_пр/2 продольных колебаний.