Физические основы ЭМА преобразования.

2. Физические основы ЭМА преобразования.

2.1. Три основных эффекта взаимодействия электромагнитного поля с объектом контроля.

Электромагнито-акустический (ЭМА) способ возбуждения ультразвука основан на трех эффектах взаимодействия электромагнитного поля с объектом контроля:

Магнитострикции.
Магнитного взаимодействия.
Эффект вихревых токов.

2.1.1. Магнитострикция.

Магнитострикция проявляется в деформации элементарных объемов ферромагнитного ОК под действием внешнего магнитного поля. Обратный эффект – появление магнитного поля в результате деформации элементов твердого тела – называют магнитоупругостью. Пример такого преобразования показан на рисунке 1 где в ферромагнитном ОК 2 под действием катушки 1 с переменным током возбуждается переменное магнитное поле, которое вызывает эффект магнитосктрикции.

Рис 1. Магнитострикционный эффект.

На рисунке: 1 – Катушка с переменным током 2 – Ферромагнитный ОК.

2.1.2. Магнитное взаимодействие.

Магнитное взаимодействие состоит во взаимном притяжении и отталкивании ферромагнитного материала и проводника (катушки) с переменным электрическим током. Из рисунке 2 можно видеть, что под действием постоянного магнитного поля В₌ ОК 2 намагнитится. Катушка с переменным током 1 будет притягиваться и отталкиваться от него в зависимости от направления образовавшегося в ней магнитного поля. Притяжение и отталкивание катушки будет оказывать обратное механическое действие на ОК, что приведет к возбуждению упругих колебаний на его поверхности. Прием упругих колебаний будет происходить в результате того, что поверхность ОК будет приближаться и удаляться от относительно катушки, вызывая в ней изменение магнитного поля. Это, в свою очередь, приведет к возникновению электрического тока в катушке.

Рис 2. Электродинамический эффект.

На рисунке: 1- Катушка с переменным током, 2- Ферромагнитный ОК, 3 – Постоянный магнит

2.1.3. Эффект вихревых токов.

Эффект Электродинамического взаимодействия состоит в возбуждении в токопроводящем материале вихревых токов, которые затем взаимодействуют с постоянным магнитным полем и вызывают колебания «электронного газа», а это в свою очередь приводит к возбуждению колебаний атомов, т.е кристаллической решетки материала. На рисунке 3 при пропускании через обмотку 1 импульса тока ультразвуковой частоты на поверхности материала 2 возникают вихревые токи (токи Фуко) 4. Взаимодействуя с магнитным полем постоянного магнита 3, вихревой ток создает силу (силу Лоренца ), которая заставляет колебаться с ультразвуковой частотой поверхность металла 2, последняя, тем самым, превращается в излучатель ультразвука. Направление смещения частиц перпендикулярно к направлению тока и магнитного поля. Отразившись от противоположной поверхности, ультразвуковые колебания через небольшой промежуток времени возвращаются к поверхности металла 2 и заставляют его колебаться. Поскольку поверхность находиться в постоянном магнитном поле, ее колебания приводят к возникновению переменного тока, который трансформируется в высокочастотную обмотку 1.

Рис 3. Эффект вихревых токов..

На рисунке: 1 - Катушка с переменным током, 2- Ферромагнитный ОК, 3 – Постоянный магнит;

4- Направление вихревых токов.

Эффекты магнитострикции и магнитного взаимодействия позволяют возбуждать акустические волны, как в ферромагнитных, так и в магнитодиэлектриках. Электродинамический эффект позволяет возбуждать акустические волны в любых токопроводящих материалах. В ферромагнитных материалах, например в железе, действуют одновременно три эффекта, поэтому работу ЭМА преобразователей рассматривают в целом.

2.2. Возбуждение с помощью ЭМА преобразователей различных типов волн.

2.2.1.Общее правило проектирования ЭМА преобразователей.

За счет электродинамического эффекта ЭМА преобразователя возбуждают самые различные типы волн. Общее правило, которым следует руководствоваться при проектировании ЭМА – преобразователей для возбуждения волн определенного типа волн, состоит в том, что возникающие при электродинамическом взаимодействии механические напряжения пропорциональны векторному произведению индуцированного в изделии переменного тока на индукцию магнитного поля : . Отсюда следует, что направление колебаний в волне перпендикулярно направлениям, как электрического тока, так и магнитного поля.

Продольные и поперечные волны возбуждают раздельно, располагая токовые катушки над такими участками поля магнитной индукции, где существует только одна нормальная или тангенциальная его составляющая.

2.2.2. Возбуждение поперечной волны по нормали к объекту контроля.

На рисунке 4 подковообразный магнит расположен над поверхностью ферромагнитного ОК, непосредственно под его полюсами преобладает нормальная составляющая индукции В₌. Здесь помещают часть катушки с переменным током , направленном на наблюдателя (части катушки с другим направлением тока находятся вне магнитного поля). В результате в ОК индуцируется вихревой ток обратного направления (показано крестиком), который создает силу Лоренца направленную вдоль поверхности.

Рис 4. Возбуждение поперечной волны по нормали к объекту контроля.

На рисунке: 1 - Катушка с переменным током, 2- Ферромагнитный ОК, 3 – Постоянный магнит;

4- Направление вихревых токов.

2.2.3. Возбуждение продольной волны по нормали к объекту контроля.

Между полюсами магнита поле направленно вдоль поверхности ОК. Если часть катушки с переменным током расположить над этим участком, то возбудится продольная волна, как показано на рисунке 5. В ферромагнитных материалах продольные волны возбуждаются хуже, чем поперечные. Это объясняется тем, что силы электродинамического и магнитного взаимодействия направлены в противоположные стороны и частично компенсируют друг друга.

Рис 5. Возбуждение поперечной волны по нормали к объекту контроля.

На рисунке: 1 - Катушка с переменным током, 2- Ферромагнитный ОК, 3 – Постоянный магнит;

4- Направление вихревых токов.

2.2.4.Возбуждение волны под углом к поверхности.

Чтобы возбудить волну под углом к поверхности, нужно создать соответствующий сдвиг фазы токов в проводниках катушки. Возникающие под этими витками механически напряжения образуют фазированную решетку. На рисунке 6 показано возбуждение наклонной - волны. Расстояние между проводниками, в которых ток совпадает по направлению и фазе, нужно выбрать из условия , где - длина поперечных волн в ОК.

Рис 5. Возбуждение поперечной волны по нормали к объекту контроля.

На рисунке: 1 - Катушка с переменным током, 2- Ферромагнитный ОК, 3 – Постоянный магнит;

4- Направление вихревых токов.

2.2.5. Возбуждение волны под углом к поверхности.

С помощью ЭМА - преобразователей удается возбудить наклонные поперечные волны горизонтальной поляризации, что трудно сделать другими способами. Для этой цели используют пространственно периодическую систему магнитов (рис 6). Между магнитом и ОК располагают проводники с переменным током (один из проводников показан на рисунке). Взаимодействие наведенного с силовыми линиями магнитного поля приводит к возникновению упругих сил, направленных перпендикулярно плоскости рисунка. Это и требуется для возбуждения наклонных поперечных волн, поляризованных перпендикулярно плоскости преломления. Расстояние между одноименными полюсами магнита . Разработаны так же способы возбуждения SH волны с использованием магнитострикционного эффекта.

Рис 6. Возбуждение поперечной волны по нормали к объекту контроля.

На рисунке: 1 - Проводник переменным током, 2- Ферромагнитный ОК, 3 – Постоянный магнит;

4-Направление вихревых токов.

2.2.6. Возбуждение волн Рэлея и Лэмба.

Для возбуждения волн Рэлея и Лэмба используют те же способы, что показаны на рисунке 5. При этом и , причем - длина рэлеевских или лэмбовских волны.

Рис 7. Возбуждение поперечной волны по нормали к объекту контроля.

На рисунке: 1 - Катушка с переменным током, 2- Ферромагнитный ОК, 3 – Постоянный магнит;

4-Направление вихревых токов.

2.2.7. Возбуждение нормальной волны.

Для возбуждения нормальной волны необходимо поместить катушку током между полюсами магнита. Направление тока в катушке показано на рисунке 8. В объекте контроля возникают вихревые токи противоположных направлений. Взаимодействие наведенного тока с силовыми линиями магнитного поля приводит к возникновению упругих сил направленных перпендикулярно поверхности объекта контроля.

Рис 8. Возбуждение поперечной волны по нормали к объекту контроля.

На рисунке: 1 - Катушка с переменным током, 2- Ферромагнитный ОК, 3 – Постоянный магнит;

4-Направление вихревых токов.

⇐ Предыдущая 123 4 5 Следующая ⇒