Эффекты электромагнитного поля

Под эффектами магнитного поля здесь понимаются следующие магнитные явления:

· намагничивание;

· магнитострикция (изменение размеров под действием внешнего магнитного поля);

· магнитодинамический эффект (эффект вихревых токов).

На эффекте вихревых токов основано электромагнитно-акустическое преобразование (ЭМАП). Схемы электромагнитно-акустического преобразования в поперечные и продольные волны приведены на рис. 1.22, 1.23.

Рис. 1.22. Схема электромагнитно-акустического преобразователя для поперечных волн: 1 – постоянный магнит; 2 – высокочастотная катушка; 3 – силовые линии магнитного поля; Г – генератор с частотой 10 МГц; B_n – нормальная составляющая магнитного поля; – сила Лоренца. Направление тока меняется с частотой 1 МГц

Направление силы Лоренца определяется по правилу левой руки. При изменении направления магнитного поля, вектор силы разворачивается. Катушка возбуждает в материале вихревые токи – токи Фуко.

Рис. 1.23. Схема электромагнитно-акустического преобразования для продольных волн

От кольцевого излучателя идет плоская волна поперечного типа со скоростью . Сила Лоренца (усредненная) равна

. (1.39)

Из уравнения (1.34) видно, что смещение точек упругой среды происходит по касательной к поверхности – возбуждаются поперечные акустические волны. Возникновение кольцевого излучения обеспечивает высокую направленность поля излучения. Можно регистрировать далекие дефекты. При этом высока и фронтальная разрешающая способность.

В режиме приема акустические колебания вызывают изменения напряженности электрического поля (если изначально электрическое поле отсутствовало):

, (1.40)

где – колебательная скорость (меняется в данном методе по периодическому закону).

Изменение колебательной скорости проводника в магнитном поле обеспечивает получение сигнала. Такой преобразователь может использоваться на прием и излучение колебаний.

Подробный анализ позволяет получить выражение для поперечной напряженности электрического поля над объектом

, (1.41)

где H – амплитуда переменного магнитного поля;

– импеданс.

Излучателем и приемником ультразвука является сама поверхность металла, расположенная в области высокочастотной катушки. Этим способом можно бесконтактно возбудить поперечную волну. Изменяя электрические параметры катушки и сдвиг фаз в обмотках, можно управлять направлением распространения волны.

Продольная составляющая электрического поля определяется выражением

, (1.42)

где – касательная составляющая магнитной индукции,

– магнитная проницаемость контролируемого материала.

Использование продольных и поперечных волн позволяет получить дополнительную информацию не только о дефектах типа несплошностей, но и о микроструктуре, характере и величине остаточных напряжений в металле.

Достоинства ЭМАП:

1) стабильный акустический контакт при высокой скорости перемещения контролируемого объекта относительно преобразователя;

2) широкополосность при генерации и приеме коротких импульсов;

3) возможность контролирования объектов, нагретых до высоких температур;

4) возможность приема и излучения поперечных волн перпендикулярно к поверхности. Эта особенность обеспечивает более высокую точность измерения геометрических размеров изделий;

5) возможность управления углом ввода, что обеспечивает возможность бесконтактного возбуждения поверхностных волн Релея и волн Лэмба;

Области применения ЭМАП:

1) толщинометрия;

2) дефектоскопия.

Отсутствие промежуточных слоев и работа с поперечными волнами обеспечивают высокую точность измерений. Использование ЭМАП позволяет автоматизировать процесс контроля. Метод обеспечивает эффективный контроль изделий на высоких скоростях, при этом колебания воздушного зазора не влияют на амплитуду сигнала. Поэтому целесообразно его применение в металлургическом, например трубопрокатном, производстве.

Недостатки ЭМАП. Несмотря на все положительные стороны ЭМАП, он все же обладает недостатками:

1) можно контролировать только электропроводящие материалы;

2) габаритные размеры электромагнита достаточно большие;

3) пониженный коэффициент двойного преобразования. Причина этого – пониженный коэффициент электромеханической связи. Необходимо возбуждать акустические и электрические импульсы колебаний достаточной мощности. По сравнению с пьезопреобразователями, коэффициент преобразования меньше в 10³–10⁴ раз;

4) метод работает стабильно, если зазор между преобразователем и объектом контроля не более 5 мм.

1.10. Контрольные вопросы

1. Что такое электроакустический преобразователь? Перечислите основные типы преобразователей.

2. Охарактеризуйте физику явления пьезоэлектрического эффекта. Уравнениями какого вида он описывается?

3. По какому признаку и на какие группы делятся пьезоматериалы? Приведите примеры.

4. Какие типы преобразователей различают в зависимости от способа акустического контакта с изделием? Перечислите основные различия между ними.

5. Запишите формулу для добротности ультразвукового преобразователя. Поясните все обозначения.

6. Для чего нужно обеспечить максимальную ширину полосы частот преобразователя? Какими способами это можно осуществить?

7. Каковы достоинства и недостатки бесконтактных методов контроля? В каких случаях они применяются?

АКУСТИЧЕСКОЕ ПОЛЕ

Параметры акустического поля преобразователя являются важнейшими характеристиками приборов ультразвуковой дефектоскопии. В наиболее простых случаях для описания полей пользуются геометрической акустикой. Однако зачастую этой теории недостаточно для описания наблюдаемых явлений. В таком случае используют понятия и математический аппарат волновой акустики.

Акустическим полем называют область пространства, упругие колебания в точках которого определяются их положением относительно объекта, порождающего это поле: излучателя, отражателя, границы раздела сред и т. д. Применительно к преобразователю различают: поле излучения , поле приема , поле излучения-приема .

Акустическое поле излучения преобразователя определяется давлением (действующей компонентой тензора напряжений), которое создается преобразователем и действует на элементарный приемник в произвольной точке пространства. Поле излучения преобразователя определяет амплитуду и фазу колебаний в некоторой точке пространства.

Поле приема определяет амплитуду и фазу колебаний приемного преобразователя при действии на него точечного ненаправленного сферического излучателя, находящегося в некоторой точке пространства.

Поле излучения-приема определяется сигналом приемного преобразователя, возникающим при отражении излучения этого же преобразователя от точечного отражателя, помещенного в некоторой точке пространства и равномерно рассеивающего падающие волны по всем направлениям.

Исходя из того что пьезомодули прямого и обратного пьезоэффекта не равны между собой, естественно ожидать, что поле излучения не равно полю приема пьезоэлектрического преобразователя (2.1), но интенсивности этих полей пропорциональны:

. (2.1)

Параметры акустического поля зависят от следующих факторов:

- размер преобразователя;

- конструкция преобразователя;

- тип преобразователя;

- рабочая частота колебаний;

- длительность импульса;

- свойства упругой среды, в которой создается поле.