Диссертация (1090253), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Также отметим, чтопо величине p Metglas на 2-3 порядка превосходит FeCo и Ni.4.2.5 Эффект нелинейного смешения магнитных полей в структурах PZT-Ni,PZT-P, PZT-MetglasРисунок 4.9 демонстрируют предсказанный эффект резонансного смешениячастот магнитных полей в композитной структуре. В качестве демонстрациипредставлены измерения, выполненные на структуре PZT-Ni, однако аналогичныерезультаты были получены и на других двух структурах. К структуре прикладывалисьдва поля возбуждения с амплитудами h1 и h2 и частотами f1 и f2 при нулевом постоянноммагнитном поле (H = 0). Частота второго поля f2 фиксировалась в диапазоне от 0 до16 кГц и измерялась амплитуда генерируемого сигнала umix в зависимости от частоты f1первого поля.97umix1614.613.412.311.09.68.57.46.15.03.62.3f2=1.1 кГц05fb15 20 25f1, кГцРис.
4.9. Зависимости МЭ напряжения umix на выходе PZT-Ni структуры отчастоты f1 магнитного поля h1 для разных частот f2 поля h2 (H=0, h1=h2=1 Э)при нелинейном смешении магнитных полей в композитной структуре.В отсутствие второго поля (f2 = 0) наблюдался только один пик (нижняя кривая нарис. 4.9) с частотой около f1 ≈ 4.3 кГц. Этот пик соответствует описанному вышерезонансному эффекту удвоения частоты на изгибных колебаниях. При увеличенииамплитуды поля с частотой f2 величина этого пика уменьшается, но одновременнопоявляются два других пика на линии fb.
Частоты этих пиков f1' и f1" удовлетворяютследующим резонансным условиям [101]:f1' fb f 2 и f1" f b f 2 .(4.7)С ростом частоты f2 расстояние между этими пиками увеличивается. Для f2 ≈ fb =8.6 кГц, частота низкочастотного пика f1' обращается в нуль, в то время как частотавысокочастотного пика равна удвоенной частоте акустического резонанса структурыf1" 2 f p .
С дальнейшим увеличением частоты поля h2 в области f 2 f p , низкочастотныйпик появляется опять, и частоты пиков удовлетворяют следующим резонанснымусловиям [101]:f1' f 2 fb и f1" f 2 fb .(4.8)98Как следует изуравнения (4.6), расстояние между низкочастотным ивысокочастотным пиками остаётся постоянным и равным f1" f1' 2 fb , что полностьюподтверждается экспериментом.
С ростом частот f1 и f2 из-за уменьшения амплитудполей h1 и h2, вызванного индуктивностью магнитных катушке, амплитуды резонансныхпиков постепенно уменьшаются.На рис. 4.10 показаны амплитудные характеристики нелинейного резонансногосмешения магнитных полей в структуре PZT-Ni.
Приведены зависимости амплитудыumix высокочастотного пика (f1 = 13.7 кГц, f2 = 5.0 кГц, Q ≈ 70) от амплитуды полявозбуждения h1 для разных значения h2.44umix, В332211005h1, Э1015Рис. 4.10. Зависимости МЭ напряжения umix, структуры NiPZT с частотой fb от амплитуды поля h1 при разныхамплитудах поля h2, Э: 1 – 1.2, 2 – 8.8, 3 – 29, 4 – 50.Видно, что для h2 = 1.2 Э и h2 = 8.8 Э зависимости являются линейнымифункциями h1 во всём исследованном диапазоне h1, что согласуется с теорией (см.выражение (4.6)). Согласно данным рис. 4.10, эффективность нелинейного смешенияполей составляла до = ℎ 1 ℎ 2≈ 0.16 В/см∙Э.
Это значение, с учётом меньшейдобротности Q резонанса при смешении полей, соответствует эффективностинелинейного удвоения частот в той же структуре. Для более высоких значений h2зависимости umix(h1) являются линейными функциями только в диапазоне полей,соответствующем условиюh1h2 10 Э, и при более высоких полях стремятся к99насыщению. Экспериментально было доказано, что эффективность нелинейногосмешения магнитных полей в структуре PZT-Ni пропорциональна (так же, как и дляудвоения частот) нелинейному пьезомагнитному коэффициенту p.
В соответствии стеоретическим предсказанием, эффективность имела максимум при H = 0, обращалась внуль при H ≈ 90 Э, и имела дополнительный локальный максимум при более высокихзначениях поля смещения.4.2.6 Сравнение линейных и нелинейных МЭ характеристик структур сразными ФМ материаламиТаблица 1 суммирует измеренные характеристики линейных и нелинейных МЭвзаимодействий в исследованных структурах. Видно, что слой аморфного сплаваMetglas по величине максимального пьезомагнитного коэффициента q превосходит Ni bпермендюр примерно в 10 раз, а по величине нелинейного пьезомагнитногокоэффициента p - примерно в ~103 раз. Это является главной причиной более высокойэффективности линейного и особенно нелинейного МЭ преобразований в композитныхструктурах, содержащих слои Metglas.Помимо этого, величина оптимального поля смещения Hm = 6 Э слоя Metglas напорядок меньше, чем у слоёв Ni и пермендюра, что важно для практических задач.Таблица 4.1.
Характеристики МЭ взаимодействийХарактеристики структурПьезомагнитный коэфф-тq, 10−8 Э−1PZT-MetglasPZT-NiPZT-Pam=0.03 ммam=0.42 ммam=0.32 мм1208.516690260при оптимальном полеHm, ЭНелин. пьезомагнитныйp, 10−9 Э−15021.10.46Эффективность МЭ преобраз. E(1) , В/см∙Э0.140.380.34Эффективность резонансного(1), В/см∙Э Eres1539414.50.240.123.20.160.08коэффициент при H=0преобразованияЭффективность удвоения E( 2 ) , В/см∙Э 2частотыЭффективность смешения полей Emix , В/см∙Э2100Невысокая эффективность МЭ взаимодействия E(1) ~0.14 В/см∙Э для структурыPZT-Metglas, в сравнении с другими исследованными структурами, как уже былосказано, связана с тем, что толщина слоя Metglas была на порядок меньше толщиныслоя Ni и пермендюра.
По этой же причине, а также по причине использованияизгибных колебаний, эффективность резонансного МЭ преобразования в структуреPZT-Metglas была ниже, чем в структурах PZT-Ni и PZT-P.Измеренные эффективности удвоения частоты E( 2) и резонансного смешениямагнитных полей Emix для структуры PZT-Metglas, не смотря на толщину слоя Metglas,оказалась на порядок выше, чем для структура PZT-Ni и PZT-P.Можно ожидать, что использование структур со сравнимыми по толщине слоямиПЭ и ФМ am ≈ ap, а также применение в качестве ПЭ лангатата, который обладает болеевысоким отношением d31/ε и на порядок более высокой акустической добротностью Q~103 [102, 103], позволит повысить эффективность нелинейных МЭ взаимодействий ещёна 1-2 порядка.4.3 Статическая деформация ферромагнетика в переменном полеВыпишем из выражения (4.6) для МЭ напряжения, генерируемого композитнойструктурой, член, соответствующий постоянной составляющей:u ( 0) Ad 31[ ( H 0 ) (1 / 2) p(h12 h22 )](4.9)Первое слагаемое в скобках выражения (4.9) описывает статическую деформациюферромагнетика в постоянном поле: = (0 ),(4.10)Оно обращается в нуль при H0 = 0.
Второе слагаемое в (4.2):S0 (1/ 4) ph2 ,(4.11)описывает дополнительную статическую деформацию ферромагнетика, возникающуюиз-за переменного поля.101Из (4.11) следует, что статическая деформация ферромагнетика S0 в слабомпеременноммагнитномполеhпропорциональнавеличиненелинейногопьезомагнитного коэффициента p и квадрату амплитуды переменного поля h2.
Каквидно из рис. 4.11, коэффициент p зависит от H0. Поэтому величина дополнительнойдеформации S0 также должна зависеть от поля смещения.В экспериментах использовали образцы из двух ферромагнитных материалов,существенно отличающихся величиной, знаком и полями насыщения магнитострикции:пластину из сплава пермендюр состава Fe0.49Co0.49V0.02 (FeCo) размерами 20х10х0.4 мм3и пластину из электролитически чистого никеля (Ni) размерами 20х10х0.4 мм3. Образцыпомещали между полюсами магнита в касательное постоянное поле H0 величиной до2 кЭ.
Переменное поле h·cos(2πft) с амплитудой до 560 Э и частотой f = 50 Гц,параллельное постоянному полю, создавали катушками Гельмгольца. Статическуюдеформацию образцов в направлении поля измеряли с помощью тензодатчика,наклеенного на поверхность пластины. Погрешность измерения полей составляла ~1 Э,погрешность измерения деформации ~0.5∙10-6.Рисунок 4.12 демонстрирует влияние переменного поля с амплитудой h ≈ 200 Э,на форму полевой зависимости статической деформации образца из FeCo.
В отсутствиепеременного поля (h = 0) магнитострикция насыщения FeCo достигала λs ≈ 63 ∙10-6 вполе насыщения Hs ~2 кЭ. Под действиемпеременного поля при H0 = 0 Э образецрастягивается, величина индуцированнойпеременнымполемстатическойдеформации составляет S0 ≈ 12∙10-6. ПриH0 ≈ 250 Э переменное поле не оказываетвлияниенавеличинустатическойдеформации образца.
В полях H0 > 250 Эобразециспытываетдополнительноесжатие под действием переменного поля.ВполяхH0 > HS,принасыщенииферромагнетика, переменное поле неоказываетвлияниянавеличинустатической деформации образца.Рис 4.11 Зависимостьмагнитострикционной деформацииферромагнетика S от постоянного поляH. Обозначено: H0 - постоянное полесмещения, h(t) - переменное поле, S(t) переменная деформация.1020401-102FeCo-2020100,0NiS0, 10-6S, 10-6600,51,01,52-300,00,2H0, кЭРис.
4.12. Зависимость статическойдеформации S от поля H0 для пластиныFeCo.0,4H, кЭ0,60,8Рис. 4.13. Зависимость статическойдеформации S от поля H0 для пластиныиз Ni при: 1 – h = 0, 2 – h ≈ 85 Э.Рисунок 4.13 демонстрирует влияние переменного поля с амплитудой h ≈ 85 Э настатическую деформацию образца из Ni. В отсутствие переменного поля (h = 0)магнитострикция насыщения Ni достигала λs ≈ −30∙10-6 в поле насыщения Hs ~0.7 кЭ.Магнитострикция Ni отрицательна, поэтому в отсутствие поля смещения (H0 = 0)образец сжимается, при H0 ≈ 70 Э переменное поле не оказывает воздействия навеличину статической деформации, а в полях H0 > 70 Э образец дополнительнорастягивается под действием переменного поля. В полях, больших поля насыщения Ni,переменное поле также перестает влиять на деформацию образца.На рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
