2. Джерела ультразвукових коливань

Існують три основні способи отримання ультразвукових коливань: механічний, магнітострикційний, п’єзоелектричний. Механічні джерела застосовуються, в основному, для отримання звукових та ультразвукових коливань у повітрі або газоподібному середовищі. Магнітострикційні пристрої широко застосовуються для рідкого середовища. П’єзоелектричні – найбільш розповсюджені, використовуються як для рідких, так і для твердих середовищ.

До механічних методів отримання звукових та ультразвукових коливань відносяться свистки, газоструйні генератори та сирени.

Сирена є найефективнішим джерелом звукових та ультразвукових коливань. У конструктивному відношенні сирена є насадкою до двигуна, яка складається з рухомої та нерухомої частин, які мають однакову кількість співвісних конічних отворів, через які продувається повітря. При обертанні рухомої частини, яка є диском, який тоншає до периферії, відбувається періодичне відкривання та закривання потоку стислого повітря через отвори, при цьому частота акустичних хвиль, які утворилися, залежить від частоти обертання двигуна та кількості отворів у дисках насадки. Подібні сирени випромінюють коливання від 3 до 30 кГц, що стосується інтенсивності хвилі, то вона буде залежати від тиску стисненого повітря, яке підводиться.

Магнітострикційний метод базується на явищі магнітострикційного ефекту. Якщо стержень з магнітного матеріалу намагнічений і під дією зовнішнього впливу подовжується або скорочується, то в котушці, яка намотана на ньому, виникає е.р.с. При періодичному механічному впливі змінна е.р.с. буде тієї ж частоти. Цей процес є зворотнім, тобто при прикладанні змінної напруги до обмотки магнітного стержня, який знаходиться в магнітному полі, стержень буде вібрувати з частотою прикладеної напруги, при цьому деформація стержня буде з більшою амплітудою, якщо використовуємо замкнений магнітний контур (рис. 62).

Рис. 62. Схема

магнітострикційного

вібратора

1 – постійний магніт;

2 – магнітострикційний стержень;3 – обмотка

змінного струму

Магнітострикційним ефектом володіють чисті феромагнетики – нікель, кобальт та залізо, а також їх сплави, серед яких найуживанішими є пермендюр (49 % заліза, 49 % кобальту та 2 % ванадію) та альфер (87 % заліза та 13 % алюмінію).

Фізика магнітострикційного ефекту пов’язана з переорієнтацією елементарних шарів феромагнетика – доменів. При намагнічуванні останні прагнуть зайняти положення, яке відповідає мінімуму енергії взаємодії, та розташовуються вздовж напрямку зовнішнього магнітного поля. Це призводить до зміни відстані між ними та, отже, до загальної зміни геометричних розмірів всього тіла.

Розрізняють лінійну та об’ємну магнітострикцію, остання виявляється при сильних магнітних полях. У промислових магнітострикційних вібраторах практично завжди мають справу з лінійною (повздовжньою) магнітострикцією.

При лінійній магнітострикції під магнітострикційним ефектом розуміють відносне подовження тіла під дією магнітного поля, яке для магнітострикційних речовин складає від 0,001 до 0,1 %. Магнітострикційний ефект є парним ефектом, тому що знак деформації осердя не змінюється при зміні напрямку поля на протилежне. У той же час магнітострикційний ефект може бути як позитивним, так і негативним, тобто знак деформації залежить від матеріалу магнітострикційного стержня.

Ефект магнітострикції залежить від температури. Так, наприклад, термостійкість нікелю невелика, при температурі порядку 100 °С відбувається зниження його магнітострикційних властивостей, а при досяганні точки Кюрі (360 °С) – вони взагалі зникають. Найбільшою термостійкістю володіє пермендюр, який зберігає свої магнітострикційні властивості при нагріванні до 800 °С.

Магнітострикційний перетворювач є осердям з магнітострикційного матеріалу, на якому розташована обмотка збудження високочастотних електромагнітних коливань.

а)

б)

Рис. 63. Деформація магнітострикційної речовини при збудженні змінним магнітним полем

а – без підмагнічування; б – з підмагнічуванням;

1 – крива намагнічування; 2 – збуджувальне поле частоти f

Осердя перетворювача виконують набиранням зі штампованих пластин товщиною 0,1-0,2 мм з нікелю, пермендюру або альферу. В більшості випадків форма осердя замкнена з двома, трьома або чотирма стержнями.

Якщо на стержень осердя намотати обмотку та подати на неї живлення від високочастотного джерела змінного струму, то отримаємо коливання стержня осердя з подвійною частотою джерела, при цьому амплітуда коливань буде мати відносно мале значення (рис. 63, а). Такий перетворювач носить назву неполяризованого.

Звичайно магнітострикційні перетворювачі є поляризованими, тобто з підмагнічуванням постійним струмом. В цьому випадку частота деформації дорівнює частоті прикладеної напруги, а амплітуда деформації в декілька разів перевищує амплітуду при неполяризованому перетворювачі при тій же амплітуді змінної магнітної індукції В_м (рис. 63, б). Підбором значень В_о та В_м можна отримати значний діапазон підсилення амплітуди коливань. Зоною обмеження дії збільшення амплітуди, а також збільшення магнітної індукції є зона магнітного насичення речовини. Таким чином, зоною промислового використання магнітострикційних речовин є зона лінійної залежності магнітної індукції та напруженості магнітного поля згідно з кривою намагнічування матеріалу.

Рис. 64 Схема магнітострикційного

перетворювача

1 – генератор ультразвукової частоти;

2 – випрямляч; 3,6 – електромагніти;

4 – осердя вібратора;

5 – обмотка вібратора;

7 – концентратор;

8 – насадка; 9 – труба для подачі

рідини; 10 – оброблюваний виріб

Принципова електрична схема магнітострикційного перетворювача наведена на рис. 64.

Для забезпечення однобічного випромінювання протилежний (неробочий) край перетворювача розміщується в герметичній коробці з повітрям або до нього приклеюється спеціальна акустична резина.

Для підведення ультразвукових коливань до оброблюваного матеріалу використовуються різного роду випромінювальні пластини, концентратори або хвильоводи.

В рідке середовище ультразвукові коливання від магнітострикційного перетворювача в більшості випадків вводять за допомогою припаяної до випромінювальної поверхні перетворювача пластини змінного перерізу з нержавіючої сталі.

Для введення ультразвуку в розплави використовуються хвильоводи, які є довгими стержнями в більшості випадків циліндричної форми сталого перерізу з жаротривких сплавів або спеціальної кераміки.

До недоліків магнітострикційних перетворювачів відноситься низький к.к.д., викликаний наявністю втрат на перемагнічування осердя, а також необхідність споживання значного струму на підмагнічування.

П’єзоелектричний метод базується на явищі п’єзоефекту. Цей ефект притаманний деяким кристалам, які не мають центру та осей симетрії, але мають в своїй структурі протилежно напрямлені частинки (іони), які пов’язані між собою електростатичними силами взаємного притягання. Під дією зовнішнього електричного поля відбувається переміщення іонів у кристалі, що обумовлює деформацію кристалу. Таке явище називається зворотним п’єзоелектричним ефектом. Прямий п’єзоефект є виникненням зарядів на поверхні кристалу при механічній дії на нього. Характерними властивостями п’єзоелектричних речовин є іонна провідність, асиметричність структури та високі діелектричні властивості. Якщо пластину п’єзокристала вирізати так, щоб нормаль до її електродних граней була паралельна полярній осі кристала, то в цьому випадку можна говорити про повздовжні деформації пластини, при цьому подовження не залежить від розмірів пластини і визначається тільки прикладеною напругою згідно з виразом

де – повздовжнє абсолютне подовження пластини, м;

d – повздовжній п’єзомодуль п’єзопластини, величина таблична в залежності від п’єзоелектричного матеріалу, м/В;

U – прикладена напруга, В.

Як п’єзоелектричні матеріали використовують кварц, сегнетову сіль, турмалін, кераміку титану барія BaTiO₃, цирконат-титанат свинцю (ЦТС) Pb(ZnTi)O₃ та його похідні.

Числові значення повздовжнього п’єзомодуля складають для цирконату-титанату свинцю – 2,7ּ10^-10 м/В, для титанату барія –

1,2ּ10^-10 м/В.

П’єзоелектричні матеріали, як і магнітострикційні, можуть знижувати та втрачати свої властивості з підвищенням температури. П’єзоефект зникає при температурі матеріалів, близької до точки Кюрі.

Рис. 65. Конструкція п’єзоелектричного перетворювача

1 – обмотка, яка живиться від

високочастотного генератора;

2 – п’єзоелектрична речовина, набрана з пластин; 3 – сталева насадка; 4 – стягуючі болти; 5 – алюмінієва насадка;

6 – робоча поверхня перетворювача.

У конструктивному виконанні п’єзоперетворювач (рис. 65) виконується набраним з п’єзопластин, на які намотана обмотка, з бокових сторін у відношенні до якої є металеві накладки певної товщини. Вся конструкція перетворювача кріпиться болтами, які її стягують.

До переваг п’єзоперетворювачів відносяться їх менша вартість порівняно з магнітострикційними, вищий к.к.д., можливість надання їм будь-якої форми.