Электромеханические преобразователи упругих колебаний
|
Системы, основанные на преобразовании колебаний электрического тока соответствующей частоты в механические колебания, или наоборот, относятся к типу электромеханических преобразователей, которые, в свою очередь, могут быть разбиты на три группы: электродинамические, пьезоэлектрические и магнитострикционные. Все эти преобразователи могут работать как в режиме излучения, так и в режиме приема. Электродинамические преобразователи по принципу действия аналогичны излучателям, применяемым для воспроизведения звука в радиовещании. Однако требования, предъявляемые к тем или другим, имеют существенные различия. Если для громкоговорителя требуется создание неискаженной передачи всей широкой полосы частот, соответствующей звукам речи и музыки, то геоакустические электродинамические излучатели конструируют на определенную резонансную частоту. Это обстоятельство позволяет не только резко повысить акустическую мощность излучения, но и увеличить коэффициент полезного действия системы. Электродинамические преобразователи имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с взрывными и ударными источниками; излучение более простого, чем при взрывах, частотного спектра колебаний; возможность регулирования частоты излучения путем изменения параметров излучателя; задаются необходимые режимы излучения (непрерывный и импульсный).  Электродинамический вибратор (рис. 71) состоит из следующих частей: кольцевого электромагнита 1 с обмоткой постоянного тока; подвижного цилиндра 2 (обычно медного), вокруг сердечника которого размещена обмотка переменного тока; опорной плиты 3, передающей колебания цилиндра на массив; опорных пружин 4, уравновешивающих электромагнит. Так как цилиндр находится в поле постоянного тока, между ним и электромагнитом возникают соответствующие механические силы. Если по обмотке цилиндра пропускать переменный ток, то переменная сила вызовет колебательное движение проводника. В вибраторах с небольшой амплитудой магнитная индукция в зазоре обеспечивается постоянным магнитом. В настоящее время электродинамические вибраторы позволяют создавать колебания в диапазоне от 20 Гц до 10 кГц с силой до 250 кН. Расчет электродинамических вибраторов основан на предположении, что амплитуда колебания получается в результате взаимодействия переменного тока, протекающего по обмотке подвижной катушки, с магнитным полем в кольцевом зазоре электромагнитной системы и совпадает по фазе с током. Исходя из этого усилие, развиваемое вибратором, для эффективных значений переменного тока  где В — магнитная индукция; l — длина провода; I — сила тока. При установившемся режиме работы вибратора подводимая к нему энергия расходуется на преодоление следующих сил: силы инерции, зависящей от массы подвижной системы и пропорциональной ускорению; демпфирующей силы, определяющей затухание свободных колебаний подвижной системы, амплитуда которых равна произведению суммы активных сопротивлений на скорость; силы упругости подвески подвижной системы, пропорциональной перемещению. Эффективная работа электродинамического вибратора возможна, если обеспечивается жесткая связь излучающей поверхности вибратора с породой и колебательная сила распределена возможно на большей площади массива. Так как первое и второе требования отчасти противоречат друг другу, то обычно возникает необходимость выбора оптимального варианта. К недостаткам электродинамических вибраторов следует отнести их значительную массу. В ультразвуковом диапазоне частот используют излучатели на базе пьезоэлектрических и магнитострикционных преобразователей. Принцип работы пьезоэлектрических преобразователей заключается в следующем. Если пластинку (элемент) из пьезоэлектрического материала подвергать сжатию или растяжению, то на гранях ее появляются электрические заряды и возникает пьезоэффект. Пьезоэффект — явление обратимое, так как под действием электрического поля пластинка также будет деформироваться. При подведении к электродам пьезопластинки электрического переменного поля она деформируется по тому же закону, т. е. в пьезопластинке возникают вынужденные колебания частотой, равной частоте переменного поля. При совпадении частоты воздействующего на пьезоэлемент переменного электрического поля с собственной частотой колебаний пьезопластинка излучает максимум энергии упругих колебаний. Из пьезоэлектрических материалов, используемых в ультразвуковых преобразователях, наибольшее распространение получили монокристаллы кварца, сегнетовая соль, синтетические кристаллы — пьезокерамика титаната бария, цирконат-титаната свинца и др. Широко внедряемые в последние годы пьезокерамические преобразователи из цирконат-титаната свинца обладают высокой механической, химической и термической стойкостью, что позволяет использовать их в неблагоприятных термических и природных условиях. При выборе рационального пьезоэлектрического материала основными показателями являются: пьезоэлектрический модуль dik, диэлектрическая проницаемость ε, произведение dikЕ, характеризующее эффективность работы пьезоэлементов в режиме излучения (где E — модуль Юнга). Важным условием, позволяющим обеспечить эффективный режим излучения, является хорошее демпфирование пьезоэлемента преобразователя, так как он после воздействия на него возбуждающего импульса совершает собственные, постепенно затухающие колебания. При недостаточном демпфировании пьезоэлемента длительность импульса увеличивается за счет переходных процессов успокоения его колебаний. Плотный контакт пьезоэлемента с демпфером приводит, к тому, что после прекращения действия возбуждающего импульса свободные колебания пьезоэлемента сравнительно быстро затухают. Электрический коэффициент полезного действия пьезоэлектрического преобразователя находится из соотношения внутреннего сопротивления генератора и электрического сопротивления преобразователя. Причем последний зависит как от его собственных параметров, так и от акустической нагрузки, т. е. от произведения удельного волнового сопротивления породы на площадь сечения пьезоэлектрического элемента. Чем лучше согласование между этими определяющими факторами, тем выше электрический к. п. д. и тем больше электрической энергии, подводимой к пьезоэлектрическому элементу, будет преобразовываться в энергию механических колебаний. Акустический коэффициент полезного действия определяет эффективность передачи энергии упругих колебаний от преобразователя в исследуемую среду. Он также находится из соотношения между удельным волновым сопротивлением преобразователя и среды, которой сообщаются колебания. Чем лучше согласование этих удельных сопротивлений, тем больше упругой энергии передается в породу при одной и той же мощности колебаний преобразователя. Отличительной особенностью пьезоэлектрических и других типов электромеханических преобразователей является излучение упругих колебаний на частоте, равной собственной частоте колебаний пьезоэлемента. Это обстоятельство наряду с большими достоинствами имеет и недостаток, связанный с трудностью создания широкополосных излучателей и приемников. Пьезоэлектрические преобразователи могут излучать как продольные, так и сдвиговые (иногда поверхностные) колебания. Чисто сдвиговые колебания также создаются собственно пьезоэлементами. В ряде случаев для излучения в породу поверхностной или сдвиговой волны используют специальные преломляющие головки для преобразователей, в которых пьезоэлемент излучает в материал головки преобразователя, сделанной в виде призмы из органического стекла, продольные колебания. При косом падении внутри призмы на границу раздела двух твердых сред с различными скоростями распространения ультразвука (пьезоэлемент — материал головки) происходит преломление и трансформация продольной волны в поверхностную или сдвиговую. Принцип работы магнитострикционного преобразователя основан на явлении магнитострикции. Магнитострикционный эффект, или эффект Джоуля, заключается в том, что при внесении ферромагнитного стержня длиной l в продольное магнитное поле напряженностью Н в нем возникают упругие механические силы, изменяющие его длину на величину Al. В одних ферромагнетиках (например, в железе) происходит удлинение, называемое положительной магнитострикцией, в других (например, в никеле, отожженном кобальте) — укорочение, называемое отрицательной магнитострикцией. В качестве магнитострикционных материалов наибольшее распространение в настоящее время получили железокобальтовые и железоалюминиевые сплавы и никель, обладающие значительной магнитострикцией. К таким сплавам относится пермендюр, имеющий содержание 49 % кобальта, 49 % железа и 2 % ванадия. Магнитострикционные преобразователи позволяют достичь довольно высоких интенсивностей излучения, работают при больших внешних давлениях и температурах, не боятся влаги, но малочувствительны к приему колебаний. Магнитострикционный вибратор (преобразователь) представляет собой пакет из магнитострикционного материала, помещенный в катушку, к которой подводится напряжение высокой частоты. С целью уменьшения потерь на вихревые токи пакеты набираются из листов магнитострикционного материала толщиной 0,1—1,3 мм. Частота переменного электромагнитного поля выбирается в зависимости от частоты собственных колебаний пакета. Под действием поля магнитострикционный пакет, намагничиваясь, периодически изменяет свою длину. Так как деформация не зависит от направления поля, частота колебаний пакета равна удвоенной частоте возбуждающего электромагнитного поля. В зависимости от условия применения магнитострикционный вибратор может иметь стержневую или кольцевую форму. Если колебания возбуждаются на основной частоте, то стержень работает как полуволновой излучатель, узел смещения которого расположен на половине длины, а пучности — на излучающих поверхностях. Габариты магнитострикционных преобразователей предопределяют их рабочий частотный диапазон (от 10 до 60 кГц). Для концентрации упругих колебаний на малой излучающей поверхности (в случае излучения сферических волн) применяются трансформаторы мощности (концентраторы), которые припаиваются к преобразователю. При изменении по тому или иному закону сечения концентратора изменяется и амплитуда колебаний выходного торца последнего. Наиболее широкое распространение получили цилиндрические, конические, экспоненциальные и ступенчатые трансформаторы. Для всех видов концентраторов необходимо, чтобы собственная частота колебаний концентратора была равна или кратна собственной частоте колебаний излучателя. Наиболее просты в изготовлении концентраторы ступенчатой формы, коэффициент усиления амплитуды которых определяется отношением квадратов диаметров их торцов:  где D0 — диаметр торца со стороны преобразователя; Dl — диаметр рабочего торца концентратора. В практике измерений широкое распространение получили экспоненциальные концентраторы. |
