Получение акустических колебаний, страница 2

Магнитострикционный излучатель представляет собой электромагнит с сердечником из  магнитострикционного материала,  в качестве которого применяют  никель и сплавы: альфер (), пермандюр (), ферриты (спрессованная и спеченная смесь порошков окислов железа, никеля, цинка). Сердечник колеблется с частотой в два раза большей, чем частота питающего тока, так как деформация не зависит от направления магнитного поля. В переменном магнитном поле в сердечнике возникают потери на гистерезис и вихревые токи, поэтому для их уменьшения сердечники делают не сплошные, а из пластин. Оптимальная толщина пластин определяется как  мм. Здесь  - удельное электрическое сопротивление, Ом.мм²/м. Для частот  кГц используют пластины толщиной  мм. Если сердечник выполнен в виде трубки (обычно используют трубки диаметром 10 – 50 мм с толщиной стенки 1 – 1.5 мм), для снижения нагрева от вихревых токов трубку разрезают вдоль. Чаще используют пакетные плоские излучатели: одно стержневые (рис. 2.11а), много стержневые (рис. 2.11б) или цилиндрические (рис. 2.11в). Геометрические размеры стержневых излучателей связаны с излучаемой частотой как , где  - скорость распространения звука в стержне. Так, например, длине  см соответствует частота  кГц, длине  см – частота  кГц.

Плоские цилиндрические излучатели генерируют колебания в радиальном направлении, что удобно для возбуждения колебаний в трубах, в этих случаях цилиндрический излучатель надевают на трубу. Сердечники цилиндрических излучателей изготавливают из пластин толщиной мм, диаметром    мм. Частота излучателя зависит от диаметра как: , где:  - модуль упругости материала сердечника,  - его плотность, k = 1, 2, 3… - порядок гармоники колебаний.

Ферритовые магнитострикционные излучатели изготавливают цилиндрическими, кольцевыми, двухстержневыми. Для излучателей используют ферриты марок 21, 38, 41, 42. В ферритовых излучателях нет вихревых потерь, у них выше температурная стабильность, но они менее прочны.

Магнитострикционные излучатели применяют для генерации колебаний в диапазоне  Гц. Обычно используют стандартный ряд частот 18, 22, 44, 66, 440, 880, 1760 кГц.

Пьезоэлектрические излучатели основаны на пьезоэффекте (электрострикции) – деформации (изменения размеров) некоторых диэлектриков (пьезоэлектриков) в электрическом поле. Пьезоэффект уменьшается с ростом температуры и при достижении определённой температуры (точки Кюри) исчезает полностью. Подробнее это явление рассмотрено в разделе 3.1. Деформация  пьезоэлектриков пропорциональна напряжению  между противоположными гранями и направлена вдоль  силовых линий поля: , где  - пьезомодуль. Направление деформации у пьезоэлектриков зависит от направления поля, поэтому частота акустического излучения равна частоте электрического поля. В пьезоэлектрических излучателях используют кристаллы кварца и пьезокерамики: титанат бария и цирконат-титанат свинца. Резонансная частота пьезоэлектриков зависит от их толщины  в направлении электрического поля: . Здесь , . Для кварца , для титаната бария , для цирконата-титаната свинца .

Кварц прочный коррозионно-стойкий материал, но пьезомодуль у него не высок. Амплитуда колебаний кристаллов кварца порядка м при напряжении электрического поля вольт. Точка Кюри кварца  ⁰С. В пьезоэлектрических излучателях кварц используют в виде дисков диаметром 40, 60 и 90 мм.

На порядок большим пьезомодулем обладают пьезокерамики, но они менее стойки. Для пьезокерамик  ⁰С. Пьезокерамики в пьезоэлектрических излучателей используют в виде пластин, цилиндров, призм, сфер, шайб диаметром от 8 до 120 мм толщиной  мм.

Пьезоэлектрические излучатели используют для генерации частот в диапазоне  МГц.

Для передачи звуковой энергии в жидкую среду применяют пассивные (промежуточные) элементы – акустические трансформаторы, которые выполняют из прочной коррозионно стойкой стали, которая выдерживают большие механические напряжения, кавитацию. Акустические трансформаторы выполняют в виде стержней постоянного сечения, а при необходимости концентрации энергии – в виде стержней с уменьшающимся сечением по экспоненте (рис. 2.12). При необходимости распределить энергию на большую площадь применяют рупоры.

Для повышения акустического КПД излучателей используют согласующие устройства в виде пластин (диафрагм), которые жёстко крепят к излучателю или акустическому трансформатору. Можно установить несколько излучателей на один согласующий элемент.