2.8.2. Випромінювачі ультразвукових коливань

В ультразвукових електричних давачах найбільше розповсюдження отримали магнітострикційні і п’єзоелектричні випромінювачі, що збуджуються за допомогою напівпровідникових і електронних генераторів, які виробляють змінну напругу з частотою більше 10 кГц. Часто використовується і імпульсне збудження ультразвукових випромінювачів.

Магнітострикційні випромінювачі стержневого типу (рис. 2.8.2, а) представляють собою набір тонких листів з феромагнітного матеріалу, на який намотана обмотка збудження. Найчастіше в магнітострикційних випромінювачах використовується нікель і його сплави (інвар і монель) а також ферити. Форма пластини показана на рис. 2.8.2, б.

Якщо стержень з феромагнітного матеріалу знаходиться в змінному магнітному полі, то він буде позмінно стискатись і розтискатись, тобто деформуватись. Залежність відносної зміни довжини l/l стержня з нікелю від напруженості магнітного поля Н показана на рис. 2.8.3. Оскільки знак деформації не залежить від напрямку поля, то частота коливань деформації буде в два рази більша частоти змінного збуджувального поля. Для отримання великих механічних деформацій використовують постійне підмагнічування стержня, щоб працювати на найбільш крутій ділянці кривої (рис. 2.8.3).

Магнітострикційні випромінювачі працюють в умовах резонансу, коли частота збуджувального поля збігається (налаштована в резонанс) з частотою власних пружних коливань стержня, яка визначається за формулою

(2.8.2)

де l – довжина стержня; Е – модуль пружності;  – щільність матеріалу.

Для нікелевого стержня довжиноюl= 100 мм частота власних коливань складає 24,3 кГц, амплітуда досягає приблизно 1 мкм. Найвища частота, на якій ще вдається збудити досить інтенсивні коливання, складає 60 кГц, що відповідає довжині 40 мм. Окрім основної частоти в стержні можна збудити і коливання на вищих гармоніках (при відповідному кріпленні стержня), але з меншою амплітудою.

Вп’єзоелектричному випромінювачі ультразвукових коливань використовується пластина кварцу (рис. 2.8.4.), до якої прикладена змінна напруга U_x, що створює електричне поле в напрямку електричної осі Х . Повздовжній зворотний п’єзоефект полягає в деформації пластини по осі Х. При цьому відносна зміна товщини пластини

(2.8.3)

Поперечний зворотний п’єзоефект полягає в деформації пластини в напрямку механічної осі Y. При цьому відносна зміна довжини пластини

(2.8.4)

Як видно з (2.8.3), повздовжня деформація не залежить від розмірів пластини, а поперечна деформація, як випливає з (2.8.4), збільшується з ростом відношення l/a. При напругах до 2,5 кВ зберігається пряма пропорційність між величиною деформації і напругою. При великих напругах деформація збільшується не так швидко і при U_X=25 кВ виявляється на 30 % меншою, ніж та, що розрахована за (2.8.3) і (2.8.4). Амплітуда коливань досягає максимуму при рівності частоти прикладеної напруги і частоти власних коливань пластини.

Частота власних повздовжних коливань визначається за формулою, яка аналогічна (2.8.4), де модуль пружності береться в напрямку осі Х:

(2.8.5)

Частота власних поперечних коливань залежить від модуля пружності в напрямку осі Y:

(2.8.6)

Для кварцових пластин f_a=285/a [Гц] і f_l=272.6/l [кГц], де розміри пластини виражені в сантиметрах.

В порівнянні з магнітострикційними п’єзоелектричні випромінювачі забезпечують значно більшу (на 1–2 порядки) частоту ультразвукових коливань.