稀土超磁致伸縮震源的設(shè)計

漆首棟 周 煒（江西省建筑科學研究院，江西 南昌 330046）

稀土超磁致伸縮震源的設(shè)計

漆首棟 周 煒（江西省建筑科學研究院，江西 南昌 330046）

本文基于稀土超磁致伸縮聲波換能器與傳統(tǒng)聲波換能器的優(yōu)點，從結(jié)構(gòu)和電路兩個方面進行介紹稀土超磁致伸縮震源的設(shè)計，作為一種新型震源必將在工程檢測中發(fā)揮重要作用。

稀土；超磁致伸縮；震源設(shè)計；無損檢測

在建筑工程無損檢測中，利用聲波測試是一種很常見的方法，但受限于傳統(tǒng)聲波換能器的影響，大部分聲波換能器產(chǎn)生的聲波頻率單一，穿透性比較差。在此本文介紹一種可以發(fā)射超磁多波，具有多種頻率，且穿透性較強的稀土超磁致伸縮換能器，以滿足建筑工程中的無損檢測要求。

1 設(shè)計原理

1.1 磁致伸縮效應(yīng)

某些晶體物質(zhì)和陶瓷材料在外力或其他外部能量作用下產(chǎn)生變形，在這些物質(zhì)的表面會產(chǎn)生電荷，這種現(xiàn)象被稱之為壓電效應(yīng)，也可稱之為電致伸縮效應(yīng)。這種現(xiàn)象在工程應(yīng)用中十分廣泛，可以制造出各種換能器和傳感器，比如各種速度計、加速度計、超聲波換能器、聲音存儲設(shè)備等。

1.2 稀土超磁致伸縮材料的優(yōu)點

傳統(tǒng)聲波發(fā)生器多采用壓電陶瓷材料，單稀土超磁，具有下列優(yōu)點：

1）與普通致伸縮材料相比，磁致伸縮性要高出10倍。

2）僅在使用較弱磁場時就可以具備較大變形，杜絕了使用高電壓引起的事故隱患。

3）可以產(chǎn)生較大的機械能。

4）本體材料能夠承受較大壓力，可以在特定環(huán)境執(zhí)行工作任務(wù)。

5）電、動能轉(zhuǎn)換率高。

6）傳輸巨大的單位體積的能量。

7）響應(yīng)速度快。

8）無時效、無疲勞、無過熱失效問題。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

超磁致伸縮換能器由以下幾部分構(gòu)成：稀土致伸縮棒、漆包線圈、張緊螺桿、碟簧、配重、發(fā)射頭、外殼、如圖1所示：

圖1 超磁致伸縮換能器結(jié)構(gòu)示意圖

2.1 超磁致伸縮換能器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過精確的設(shè)計和合理的阻抗匹配，可使換能器產(chǎn)生較大震動，制造出較大功率聲能。

2.1.1 線圈骨架的設(shè)計，線圈骨架設(shè)計的基本要求是：

1）必須使用非導(dǎo)磁材料。

2）稀土致伸縮棒的長度須短于線圈長度，有利于磁場對稀土棒的覆蓋。

3）稀土棒的直徑與線圈的內(nèi)徑盡可能接近，有利于充分利用磁場能。

2.1.2 激勵線圈的設(shè)計

激發(fā)線圈一般采用漆包線為材料，遵循在最小體積下獲得最多纏繞圈數(shù)為原則。

超磁致伸縮換能器激勵線圈的具體設(shè)計步驟如下。

選用漆包線直徑為dr，求出線圈單位長度上的匝數(shù)n1和單位厚度上的匝數(shù)n2

式中：

kη、kβ-分別為線圈的排繞系數(shù)和疊繞系數(shù)，它們的數(shù)值隨導(dǎo)線直徑不同而改變，如表1 所示。

表1 導(dǎo)線直徑不同的kη和kβ值{1}

2.1.3 偏置磁場的設(shè)計

設(shè)置偏置磁場能有效地防止稀土磁致伸縮棒的倍頻現(xiàn)象發(fā)生，使得稀土磁致伸縮棒僅在線性區(qū)間內(nèi)進行機械運動，增強響應(yīng)范圍有利于進行控制。一般認為稀土棒的磁致伸縮應(yīng)變只與線圈產(chǎn)生的磁場大小有關(guān)。如圖2 所示。

圖2 磁致伸縮應(yīng)變與磁場強度的關(guān)系

2.1.4 磁路的設(shè)計

盡可能減少磁泄露，使得磁場分布均勻，提高稀土磁致伸縮的利用率。

2.1.5 預(yù)壓力的設(shè)計

對稀土棒施加預(yù)壓力可以比不施加產(chǎn)生更大的應(yīng)變，有利于獲得更大動能，但又必須控制預(yù)壓力在七至十兆帕范圍內(nèi)，否則不能獲得理想的能量轉(zhuǎn)換，還會因應(yīng)力過大造成機械損耗。

2.1.6 輻射板的設(shè)計

換能器的輸出功率直接受輻射板的外觀設(shè)計，材料種類，安裝方式等影響。

圓板彎曲振動的共振頻率為：

式中：

fn—頻率；

δ—板的厚度；

a—板的半徑；

ρ—密度；

E—彈性模量；

μ—泊松比；

R(n)-低階頻率方程的根。

在選定了系統(tǒng)的工作頻率后，根據(jù)式(3)計算出板的厚度。板的材料與外部框架的材料都取為45號鋼，這樣構(gòu)成的閉和磁路不易漏磁。

2.2 超磁致伸縮換能器的電路設(shè)計

超磁致伸縮換能器能否正常工作，還需要取決于提供穩(wěn)定持續(xù)的激勵能量。稀土超磁棒的驅(qū)動力來源于纏繞漆包線產(chǎn)生的磁場，漆包線圈與電容組成充放電路，其中當開關(guān)不被激勵時，處于不通電狀態(tài)，線圈對電容進行充電，但開關(guān)管被激勵時，電容對線圈放電，如此反復(fù)產(chǎn)生一個交變磁場，稀土超磁棒在這個交變磁場作用下產(chǎn)生應(yīng)變，將磁能轉(zhuǎn)換成動能。

圖3 超磁致伸縮換能器發(fā)射電路示意圖

3 結(jié) 語

本文在分析了稀土超磁致材料性能和驅(qū)動特點的基礎(chǔ)上，結(jié)合超磁多波檢測的要求設(shè)計了稀土超磁致伸縮換能器的震源。提出了基于超磁致伸縮換能器的工作原理和結(jié)構(gòu)，稀土超磁致伸縮材料和傳統(tǒng)磁致伸縮材料及壓電陶瓷材料相比，具有諸多優(yōu)點，未來在建筑工程檢測中將會占有重要地位。

[1]孫德永《異形孔加工系統(tǒng)設(shè)計及補償方法研究》2012-12-19

The design of the rare-earth giant-magnetostrictive source

This paper based on the advantage of rare-earth giant magnetostrictive acoustic transducer and traditional acoustic transducer，introduce the design of rare-earth giant magnetostrictive source from structure and circuit two aspects,which as a new type source will play an important role in engineering testing.

rareearth；giantmagne to strictive；source design；nondestructive testing

TF8

B

1003-8965(2017)05-0069-02