Майер В.В. - Простые опыты с ультразвуком (1040531), страница 3
Текст из файла (страница 3)
3). -М7 ге Обратный магпнто- стрнкцнонный эффект -ла применяют в приемни- ках ультразвука, кото-Уд рые устроены точно В Н,Р так же, как излучате- -Ю. уааа ЛЮО л . Собственно д по- становки описанного Рис. 2. ГРафики зззнсимости лс выше опыта вы уже формзцни стержней из никеля, железе и литого кобальта от я яря использовали простейженносги мзгнитного соля, наврав- шуЮ модель магнитоленного по оси этих стержней.
стрикционного прием- ника. Существенной особенностью магнитострнкционного эффекта является, как принято говорить, его четность, т. е. независимость эффекта от направления магнитного поля. Если помещенный в продольное магнитное поле никелевый стержень становится короче, чем в отсутствие поля, то при изменении направления магнитного поля на противоположное стержень так и остается укороченным, а не удлиняется. Поэтому концы ферромагнитного стержня. расположенного в обмотке возбуждения, по которой проходит переменный ток (см.
рнс. 3), колеблются с частотой, в два раза превышающей частоту переменного тока. Чтобы подробнее рассмотреть эту особенность, обратимся к рис. 4, 12 Никелевый стержень длиной 1о, внесенный в постоянное магнитное поле напряженностью гуо, короче, чем в отсутствие поля на величину Ыо (см. рис.
4, а). Поместим никелевый стержень в переменное магнитное иоле, напряженность которого Н меняется по синусоидальному закону. В этом случае стержень будет укорачиваться всякий раз, когда напряженность магнитного поля — независимо от его направления— станет отлична от нуля (см. рис. 4,б). Таким образом, размеры стержня будут колебаться с удвоенной частотой по сравненшо с частотой переменного маг- нитного поля. Чтобы угзбенгать этого часто нежелательного явления, па переменное мапштное поле тЧ дополнительно УЛ 13 накладывают постоянное, напряженность которого Ио Руге.
З. Вонеужденгеультраимеет вполне определепнуго звуковых колебнння ынгвеличину. В этом случае у|нтобтрнкггиозугого стержня. Феррол~агнитиый стержень Г окру ПОД ДЕЙСТВИЕЫ ПОСТОЯНИОГО жен обь1откоз ноабуногенин л, по поля никелевый стержень косогор пронолнт персненпын ток ог электронного генератора ВСЕ ВрЕМя КОРОЧЕ, ЧЕМ В электрнсеских колебениб ультра. своем естественном состоянии, а наличие переменного поля приводит к тому, что стержень станет изменять свои размеры синфазно с изменением этого поля: при увеличении напряженности магнитного поля стержень будет укорачиваться, а при уменьшении — удлиняться (см.
рис. 4, в). При этом частота колебаний стержня будет совпадать с частотой вызываюшего эти колебания переменного магнитного поля, а амплитуда колебаний возрастет практически вдвое. Налохгение на переменное магнитное поле постоянного называется подмагничиванием или поляризацией стержня, а сам стержень, совершаюший ультразвуковые колебания, принято называть вибратором. Вибраторы промышленных магнитострикционных излучателей, как правило, изготавливаются из никеля или специальных ферромагнитных сплавов, Сравни- тельно недавно для вибраторов магнитострикциоииых излучателей стал использоваться и феРРит — ферромагнитный материал, сильно напоминаюший по своим свойствам и способу получения керамику. феррит обладает значительной магнитострикцией, близкой к магнитострикции никели, и вместе с тем высоким удельным сопротивлением.
Последнее свойство обеспечивает сушественное преимушество ферритовых а) л) в) Рис 4. Грнфиии, поясншашне физическуго сушность поляризншги ынгнитострииционного нибрнторн. а — стермень в постоянном магнит~ ом поле; б — сп Шиепь в переменном мвгпптиом поло; в — стержень в переменном поле дополнительно полнрнво- вни постоянным мегиитным полем. впбраторов перед никелевыми; на относительно низких ультразвуковых частотах потери в ферритовом вибраторе на вихревые токи незначительны, что позволяет изготовлять из феррита монолитные вибраторы практически любой необходимой формы, Никелевые вибраторы для уменьшения потерь на вихревые токи обычно набирают — как и сердечники трансформаторов в в виде пакетов, состояших из изолированных друг от друга тонких пластинок. Основным недостатком феррита является его малая механическая прочностея ферритовые вибраторы при достижении интенсивности ультразвука порядка 2 — 4 Вт/см', как правило, терпят излом.
К счастью, ультразвук меньшей интенсивности все же позволяет поставить большую серию учебных опытов. 14 Задание й Поставьте опыт по обнаружению об.. ратного магнит магнитострикционного эффекта, пользуясь подходящим уси усилителем низкой частоты бытовои радиоаппаратуры. мдгнитострикционный излучатель низкой частоты кция магнитострикционного излучателя и Конструкция м ис.
б,а,б, В каего внешний вид изображены на рис.,а, чсстве вибратора излучателя использован круглый ф итовый стержень марки М4ООНН диаметром ферритов й с 8 мм и длиной 100 — 160 мм. В каркасе обмотки возбуждения вибратор мягко закреплен с помощью резинового колечка, расположенного по его середине. Кар- " 1%4~~ Рис о. Конструкции магннтострнкционного излучателя для получения ультразвука низкой частоты (20 — оо кГц) (а) и его внесь ний вид (б). У вЂ” герритовын вибратор, 3 — ревииовое полечке, 3 — каркас обиотки во. бу- жиеиии, И вЂ обмот вогбужиеиии, з — коиьиевые керамические магниты кас обмотки возбуждения можно выточить на токарном станке из подходящего материала (оргстекла, эбонита, текстолита, дерева и т. п.) или склеить из нескольких слоев бумаги.
Обмотка возбуждения должна содержать два слоя провода ПЭЛ 1, О, намотанных виток к витку на длину, равную примерно половице длины вибратора. Выводы обмотки возбуждения нужно выполнить из многожильных проводников в поли- хлорвиниловой изоляции длиной 30 — 50 ем, снаб>кснных наконечниками для зажима под клеммы или штеккерами для включення в гнезда. Обмотку возбуждения следует покрыть слоем лакоткаии, высоко- 15 вольтной изоленты или несколькими слоями бумаги. Впрочем, лучше намотать всю обмотку проводником в полихлорвиниловой изоляции, которая в этом случае не должна быть слишком толстой. Для подмагничивания вибратора можно использовать два-три кольцевых керамических магнита диаметром 35 мм и толщиной 7 мм из школьного набора. Магниты следует надеть на выступающую часть обмотки возбуждения так, чтобы нерабочий торец вибратора находился в одной плоскости с поверхностью ближайшего к нему магнита. РезОнАнснбе ВО3Буждение НОпеБАний ВНБРАтОРА Расположив изготовленный вами магнитострикционный излучатель вертикально на столе, подключите его обмотку возбуждения к клеммам Общ и 600 Ом школьного звукового генератора типа ГЗШ-63.
Включив генератор и установив частоту переменного напряжения в диапазоне 2 — 20 кГц, вы услышите слабый звук. В этом простеньком опыте вы впервые наблюдали проявление прямого магнитострикционного эффекта: под действием переменного магнитного поля вибратор излучателя периодически изменяет свою длину и возбуждает в воздухе звуковую волну. Малая интенсивность излучаемого в опыге звука объясняется тем, что магнитострикционный эффект очень невелик — относительное изменение длины вибратора И71 не превышает 1О-" — 10-4 (см.
рис, 2) — поэтому мала и амплитуда колебаний вибратора. Для увеличения амплитуды колебаний в магнитострикционных излучатслях используют явление резонанса. Пусть один из копцов свободного (незакрепленного) стержня длиной 1 (рис. 6, а) под действием вынуждаюп|ей силы совершает колебания по гармоническому закону (15) а,=Лз)пм7, где а,— смещение торца, Л вЂ” амплитуда колебания, гз = 2п1 — круговая частота н 1 — время.
Тогда по стержню побежит упругая синусоидальная волна, ко- 16 рая, дойдя до второго конца стержня, отразится без изменения фазы и вернется к первому. Если пренебречь потерями, то первый конец стержня под и л л и л л У У А А Рис. б. Резонансное возбуждение колебаний вибратора. н левый конем стерткаяколеблстс» погармоннческому закону(гравак втобраткен нед зтям конломп прн агом вдоль стсрзгвя (вдоль осн л( со скоростью с Распространяется упругая залпа («момен га лазая бгогографггя» распределевня смея(евай нзобрзжепа под стергквеьи. б.
В Результате пптерееренпвп солям палвюшей на правый конел стержня, и волны, отраженной от него, уствпавлнвается стоячая волна, узлы н пуп~гостя гготорой обозначены соответ. ствее1но буквамк у н я. стреакамн показаны аапразленая колебаянй в раз лнчпык учвсткзк стержня вдоль осн л длп того момезта времена. Лл» кото. Рого спложной лнвней построен гравпк под стержнем. действием отраженной волны будет участвовать в колебательном движении ай= Аз(п(о(1 — 21/с), (16) где с — скорость звуковой волны в стерн(не.
Результирующее колебание этого конца стержня, происходящее под действием вынуждающей силы и силы, развиваемой отраженной волной, описывается формулой а = а(+ ай 2Л сов((б1/с) з(п(б(1 — 1/с). (17) Таким образом, конец стержня совершает гармоническое колебание с амплитудой 2А сон((о1/с), Резонанс наступает при таких частотах оз, прн которых 17 амплитуда вынужденных колебаний максимальна, т. е.
при выполнении условий соз( — ~=1 или — = Ап, где Й=О, 1, 2... Л м1 х а! с с Выражая а через ), из последней формулы получаем — й=О, 1, 2, ... (18) Частоты, определяемые этой формулой, называются собственными частотами свободного стержня. При й = О собственная частота стержня равна нулю (стержень покоится).
Собственная частота при А = 1 называется основной собственной частотой. Остальные собственные частоты принято называть гармониками соответствующего порядка, Если говорят, что вибратор возбуждается на третьей гармонике, то под этим подразумевается, что он колеблется с частотой 1 = Зс/21. '1то же происходит в стержне, когда он возбуждается на одной из собственных частот? Пользуясь соотношением (2), из формулы (18) получаем 1=- 'УЯ., Следовательно, при возбуждении стержня на Й-й гармонике вдоль его длины укладывается А длин полу- волн звука, т.е.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
