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磁致伸缩材料的特性及换能器的工作原理(三)
来源: | 发布日期:2022-10-28

由于相对形变与磁感应强度是偶函数关系,所以在交变磁场作用下,应变或应力会出现倍频效应,换能器辐射的超声波频率将为交变磁场的两倍。人们往往不希望出现这种情况。为了实现换能器同频的机电能量转换,需另加一个恒定的极化磁场,使换能器系统处于极化状态,当另有较小的交变磁场作用时,就可以得到同频的机电能量转换。对于这种极化系统,磁感应强度是由恒定的B0和交变的B两部分组成的,在B为谐和变化时,磁致伸缩应力由恒定力、同频力和倍频力组成,在倍频力远小于同频力时,同频力就作为磁致伸缩应力,它与磁感应强度的关系如下


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式中,05(B0)为磁致伸缩应力常数,它是极化磁感应强度的函数。


同一种材料,B0不同05 (B0)也会不同,要想得到最佳的磁致伸缩工作特性,除必须选择性能优异的磁致伸缩材料外,还需要选择优良的极化状态,即工作点,在该工作点上能得到最大的05值。


②纵向磁致伸缩反效应(魏拉里效应)。对极化后的磁棒沿其长度方向施加外力时会产生相对形变,棒内的磁场强度会发生变化,这种效应叫纵向磁致伸缩反效应(或称魏拉里效应)。该效应可用下式表示


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式中,H为内部产生的附加磁场强度;λ(B0)为反向磁致伸缩常数,它是B0的函数。对于没有极化的磁棒,即使受外力作用发生形变,也不会产生磁场,换句话说,非极化的铁磁材料不存在反效应。


③涡流损耗。在铁磁物质中,当磁感应强度发生变化时,在其内部将产生感应电流,该感应电流所产生的磁场将阻碍磁感应强度的变化,阻碍铁磁材料的磁化,一部分能量被损耗掉变成热能,这种电流被称为涡流。涡流的存在导致动态导磁系数值的降低,且磁感应强度将会比磁场强度更滞后一个相位角φ2。


磁致伸缩换能器主要在10~100kHz的频段内应用,在这个频段内,涡流损耗的影响不能忽略。涡流损耗与外加磁场的频率、铁磁材料的电阻率以及材料的形状有关。为了降低涡流损耗,磁致伸缩材料通常都做成薄片形。考虑磁滞损耗和涡流损耗同时存在时,则材料的复导磁系数可写成下面的形式


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式中,χ为涡流的去磁系数。

 

(3)磁致伸缩换能器的工作原理

磁致伸缩换能器是由磁致伸缩材料制作的铁芯外面缠绕线圈而成,如图4-5所示。当线圈中通以一定直流电流I0产生最佳偏磁场H0后,再通以交变电流I使其产生交变磁场H,使H重叠于之上,由此铁芯中的磁场将在水平上变化。在交变磁场H的作用下,由于材料的磁致伸缩效应(焦耳效应),换能器两端面产生与交流电频率相同的交变伸缩,当交变电流的频率与换能器的共振频率一致时,换能器端部振动最强烈,由此从换能器两端面向介质辐射出超声波。


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