Магнитоупругие преобразователи

Работа магнитоупругих преобразователей основана на явле­ниях, возникающих в результате взаимодействия между маг­нитными и механическими состояниями ферромагнитных тел, обычно объединяемых под названием магнитоупругих явлений.

Различают собственно магнитоупругий эффект — изменение магнитных свойств ферромагнитных тел под воздей­ствием механических деформаций и магнитострикцион- ный эффект — изменение формы и размеров ферромагнит­ных тел под воздействием внешнего магнитного поля.

При магнитоупругом эффекте действие внешней силы Р вы­зывает в ферромагнитном теле механические напряжения, обу­словливающие изменение магнитной проницаемости р, тела. Если ферромагнитное тело используется в качестве сердечника катушки индуктивности, то изменение магнитной проницаемости приводит к изменению сопротивления 'магнитной цепи и, как следствие, к изменению полного электрического сопротивления катушки.

При магнитострикционном эффекте происходит обратное яв­ление.

Основное назначение магнитоупругих преобразователей — возбуждение и прием упругих колебаний, поэтому они широко применяются в аппаратуре акустического каротажа и других устройствах, основанных на изучении распространения упругих волн.

Магнитоупругий преобразователь (рис. 25.1) конструктивно представляет собой пакет крепко стянутых пластин из магнитоупругого материала, образующий замкнутый магнитопровод 1, на котором расположена обмотка 2. Поскольку при пропуска нии тока по обмотке деформация магнитоупругого материала происходит вдоль линий магнитной индукции, выбором соот­ветствующей формы пластин можно добиться определенйой на­правленности действия преобразователя.

Рис.25.1 Магнитострикционные излучатели: а- стержневой, б- кольцевой.

У преобразователей стержневого типа (рис. 25.1, а) магнитоупругий эффект направлен вдоль оси пакета пластин. Цилиндрические (кольцевые) преобра­зователи в наибольшей степени отвечают геометрии среды при скважинных исследованиях; они получили преимуществен­ное распространение в акустической геофизической аппаратуре. Такой преобразователь (рис. 25.1.,6) выполнен в виде полого ци­линдра, состоящего из тонких (0,1—0,2 мм) кольцевых пластин из магнитоупругого материала, склеиваемых между собой. Вы­сота цилиндра обычно мала по сравнению с длиной излучаемой волны, поэтому такие преобразователи практически не обла­дают направленностью действия. В пластинах предусматрива­ются отверстия или пазы для обмотки с целью ее защиты от механических повреждений.

Иногда сердечник преобразователя выполняют путем на­вивки из ленты магнитоупругого материала и последующей его склейки в виде цилиндра.

В цилиндрических преобразователях линии магнитной индук­ции имеют форму колец с центром на оси цилиндра и замы­каются внутри обмотки. Поэтому при пропускании по обмотке переменного или пульсирующего тока будет происходить перио­дическое изменение длины средней окружности цилиндра, а сле­довательно, и длины его наружной и внутренней окружностей, что вызовет радиальные упругие колебания преобразователя, ко­торые передадутся в окружающую среду. При работе преобра­зователя в режиме приема упругих колебаний происходит об­ратный процесс.

Магнитоупругие преобразователи, применяемые в аппара­туре акустического каротажа, обычно работают в диапазоне ча­стот 3—80 кГц. При более низких частотах требуется увеличе­ние размеров сердечника; при более высоких частотах возможны значительные потери мощности за счет вихревых токов.

Магнитоупругие преобразователи характеризуются простотой конструкции, высокой механической прочностью и не нуждаются в герметизации, вследствие чего устраняются потери энергии упругих колебаний на герметизирующей оболочке; в то же время они обладают значительной акустической мощностью и сравни­тельно высоким электроакустическим к. п. д. (отношением аку­стической мощности, отдаваемой на выходе, к электрической мощности, потребляемой на входе). Для возбуждения преобра­зователей, работающих в режиме излучения колебаний, не тре­буется высокого напряжения, а нужен лишь мощный импульс тока в обмотке для создания магнитного поля. Это весьма важно в условиях скважины, где иногда трудно обеспечить высокое качество электрической изоляции.

В скважинкой акустической аппаратуре магнитоупругие пре­образователи используются главным образом в качестве излу­чателей и реже — приемников упругих колебаний.

На применении собственно магнитоупругого эффекта осно­вана работа прихватоопределителей — устройств для определе­ния мест прихвата в скважине бурильных и насосно-компрессорных труб.

Вопросы для самоконтроля:

17. Изложите устройство магнитострикционного излучателя

18. Изложите устройство пьезокерамического приемника