Магнитострикционные преобразователи. 
Психотронное оружие

Еще в 1847 г. Джоуль заметил, что ферромагнитные материалы, помещенные в магнитное поле, изменяют свои размеры. Это явление назвали магнитострикционным эффектом, или магнито-стрикцией.

Рис. 6. Магнитострикционный эффект: а — обратный; б — прямой

Различают два вида магнитострикции: линейная, при которой геометрические размеры тела изменяются в направлении приложенного поля, и объемная, при которой геометрические размеры тела изменяются во всех направлениях. Линейная магни-тострикция наблюдается при значительно меньших напряжен-ностях магнитного поля, чем объемная. Поэтому практически в магнитострикционных преобразователях используется линейная магнитострикция.

Магнитострикционный эффект, как и пьезоэлектрический, обратим. Если по обмотке, наложенной на ферромагнитный стержень определенного состава (рис. 6, б), пропустить переменный ток, то под воздействием изменяющегося магнитного поля стержень будет деформироваться (удлиняться и укорачиваться) — прямой магнитострикционный эффект. Никелевые сердечники в отличие от железных в магнитном поле укорачиваются. При пропускании переменного тока по обмотке излучателя его стержень деформируется однозначно (в одном направлении) при любом направлении магнитного поля. Поэтому частота механических колебаний будет вдвое больше частоты переменного тока, протекающего в обмотке.

Чтобы частота колебаний излучателя соответствовала частоте возбуждающего тока, в обмотку излучателя подводят постоянное напряжение поляризации. У поляризованного излучателя увеличивается амплитуда переменной магнитной индукции, что приводит к увеличению деформации сердечника излучателя, а следовательно, и повышению мощности.

Если же стержень из ферромагнитного материала, на который наложена обмотка, сжимать или растягивать (см. рис. 6, а), то его магнитные свойства будут изменяться, а в обмотке возникнет переменный ток — обратный магнитострикционный эффект. (55, с.15−16).

Прямой магнитострикционный эффект использован при изготовлении ультразвуковых магнитострикционных преобразователей, которые являются незаменимым элементом любой ультразвуковой технологической установки. Магнитострикционные преобразователи по сравнению с пьезоэлектрическими имеют большие относительные деформации, большую механическую прочность, менее чувствительны к температурным воздействиям, у них небольшие значения полного электрического сопротивления, в результате чего для получения большой мощности не требуются высокие напряжения.

Одним из основных условий при изготовлении ультразвуковых магнитострикционных преобразователей является соответствие их геометрических размеров заданной резонансной частоте.

При изготовлении магнитострикционных преобразователей определяются не только геометрические размеры, но принимаются во внимание материал преобразователя, его конструкция и технология изготовления.

Для изготовления магнитострикционных преобразователей используют главным образом никель, пермендюр, альфер и феррит. Наибольший магнитострикционный эффект наблюдается у пермендюра (49% кобальта, 49% железа, 2% ванадия). Кроме того, пермендюр может работать при повышенных температурах. Еще большим магнитострикционным эффектом обладает сплав платины с железом (32% платины, 68% железа), но из-за высокой стоимости он практически не применяется (55, с.15−16).

Чаще всего в ультразвуковых установках применяются преобразователи из никеля. Магнитострикционные свойства никеля значительно ниже, чем пермендюра, но он дешев и имеет высокую стойкость против коррозии.

Хорошие магнитострикционные свойства у железоалюминиевых сплавов — альферов с 12—14% алюминия. Альфер имеет высокое удельное электросопротивление, поэтому потери энергии на вихревые токи незначительны. Однако трудности, связанные с прокатом этого материала, и хрупкость ограничивают его практическое применение (55, 15−16).

Магнитострикционные сердечники могут быть изготовлены и из ферритов (рис. 7), свойства которых в большой степени зависят от составляющих (окиси никеля, железа, цинка). У ферритов высокое удельное сопротивление, в результате чего потери на вихревые токи в них ничтожно малы. Свойства ферритов устойчивы к температурным изменениям и незначительно изменяются в пределах 30—120° С. Но у ферритов есть недостаток — малая механическая прочность, что вызывает опасность их перегрузки при работе в колебательных системах большой мощности. Механические напряжения, возникающие в материале, приводят к образованию трещин, а затем и к разрушению преобразователя.

Магнитострикционный эффект в значительной степени зависит от температуры. Термостойкость различных материалов неодинакова. У никелевых преобразователей при нагревании до температуры 100—150° С магнитострикционный эффект снижается на 20—25%, а при температуре 353° С (точка Кюри) он исчезает совсем. Для альфера точка Кюри находится около 500° С (55, с.16−17).

Наибольшей термостойкостью обладают преобразователи из пер-мендюра, способные выдержать температуру выше 900 °C.

В США проводятся исследования по повышению эффективности магнитострикционных преобразователей. Одной из фирм разработан магнитострикционный преобразователь с малыми потерями. В нем в качестве активного материала применен ванадий-пермендюр (железокобальтовый сплав с небольшим содержанием ванадия). Такой преобразователь представляет собой ленту из пермендюра, свернутую в виде цилиндра, с изолирующей прокладкой. В новом преобразователе возбуждается весь магнитострикционный материал. В обычном преобразователе возбуждается не более 70% материала. Обычный магнитострикционный преобразователь конструктивно представляет собой пакет, набранный из тонких пластин никеля, пермендюра или альфера толщиной 0,1—0,2 мм, которые изолируются между собой лакированием или оксидированием. Преобразователи могут быть однои многостержневыми. Наиболее широкое применение находят многостержневые преобразователи, в которых магнитный поток замыкается при помощи ярма или накладок.

Для возбуждения магнитострикционных преобразователей, использующих эффект продольной магнитострикции, можно применить три следующих схемы.

С разомкнутым магнитным потоком (рис. 8, а). Такая схема может быть использована в установках малой мощности.

С замкнутым магнитопроводом при помощи ярма (рис. 8,6). Обмотка возбуждения накладывается на центральный стержень, а обмотка подмагничивания — на боковые половины ярма. В такой схеме потери на потоки рассеивания меньше. Но, несмотря на относительно высокий к. п. д., преобразователи, собранные по этой схеме, получаются громоздкими (55. с.17−18).

С замкнутым (внутри пакета) магнитопроводом (рис. 8, в). Пластины для пакета могут быть с одним или несколькими окнами. С одним окном получается двухстержневой пакет, с двумя окнами — трехстержневой. На образующиеся таким образом стержни накладывается обмотка.

Для изготовления мощных магнитострикционных преобразователей целесообразно применять схему с замкнутым магнитопроводом, так как в этом случае будут меньшие потери, более компактная конструкция и лучшие условия для охлаждения (55, с.18−19).

Показатель эффективности магнитострикционного преобразователя из никеля для обработки твердых и хрупких материалов не менее 0,5, а преобразователя из пермендюра — не менее 1,1.

Для измерения параметров ультразвуковых преобразователей, работающих в воздухе, в воде, при наличии сильных электромагнитных полей применяют ультразвуковые бесконтактные виброметры. Виброметр может быть использован для измерения амплитуды и частоты вибрации, определения формы вибрации, исследования частотного спектра вибрации, изучения распределения амплитуды смещения на поверхности трансформаторов упругих колебаний, осциллографирования кратковременных и нестационарных процессов в преобразователях, снятия частотных характеристик преобразователей, наблюдения фазовых соотношений смещения различных точек сложных колебательных систем, исследования потерь в материалах (55, 18−19).