Proiectarea Traductorului Magnetostrictiv

Fenomenul de magnetostricţiune se manifestă pentru materialele feromagnetice şi constă în modificarea dimensiunilor unui corp când acesta se găseşte într-un câmp magnetic. Cel mai important este efectul magnetostrictiv longitudinal care constă în alungirea, în alte cazuri scurtarea, unei bare de lungime l sub influenţa unui câmp magnetic. Magnetostricţiunea este condiţionată de structura cristalină a materialelor cu magnetizare spontană. Deşi în principiu orice material feromagnetic este magnetostrictiv, numai la câteva materiale efectul este pronunţat; printre acestea sunt nichelul, fierul şi cobaltul.

Efectul magnetostrictiv depinde numai de mărimea câmpului magnetic şi nu de semnul acestuia, prin urmare, dacă se aplică un câmp magnetic alternativ de frecvenţă f, oscilaţiile mecanice rezultante vor fi de frecvenţă 2f. Pentru a se obţine o funcţionare liniară, câmpul magnetic variabil H se suprapune peste un câmp magnetic H0 constant, numit câmp de polarizare, astfel încât H0 să fie mai mare sau cel puţin egal cu H.

Traductoarele magnetostrictive, uneori numite vibratoare magnetostrictive, funcţionează la o frecvenţă fixată, care este frecvenţa de rezonanţă mecanică în mod de oscilaţie longitudinală. În primii ani ai dezvoltării magnetostricţiunii s-au folosit bare de nichel masiv oscilând cu λ/2. În acest mod de oscilare, capetele au deplasări maxime, în antifază, iar mijlocul barei este nemişcat; se spune că acesta este nod de oscilaţie iar bara se poate fixa în nod.

Pentru micşorarea pierderilor prin curenţi turbionari s-a trecut la folosirea barelor constituite din tole laminate subţiri, în care curenţii Faucault au o importanţă scăzută. O formă de tolă care permite aranjarea bobinajului simetric este tola H.

Puterea electrică de excitaţie este asigurată de un generator de putere constituit în mod obişnuit dintr-un oscilator RC urmat de un amplificator de putere.

Funcţionarea acestor traductoare se bazează pe variaţia permeabilităţii magnetice a unor materiale feromagnetice (nichel, aliaje de nichel şi aluminiu, aliaje cu fier şi cobalt), în funcţie de tensiunile mecanice ce apar în ele, datorită unor forţe mecanice aplicate din exterior. Dacă materialul feromagnetic se găseşte în interiorul unei bobine, o dată cu variaţia permeabilităţii miezului bobinei are loc şi variaţia reactanţei inductive a înfăşurării respective. Fenomenul de magnetostricţiune este reversibil, adică, dacă un corp feromagnetic este introdus într-un câmp magnetic, acesta îşi schimbă dimensiunile.

Să se dimensioneze un traductor magnetostrictiv tip fereastră cu două coloane, cu următoarele date iniţiale:

Date de material

Nr crt Mărime UM [SI] Notaţie MathCad Notaţie MathLab Valoare

1 Tip material Nichel

2 Densitate kg/m3 γ gama 8,7•103

3 Modul de elasticitate N/m2 E El 20•1010

4 Viteza de propagare a sunetului în material m/s CL clm 4,76•103

5 Constanta magnetostrictivă Wb/m2 kms cms 2,7•106

6 Permeabilitatea magnetică relativă μr miur 2500

7 Factor de pierderi electromagnetice W/m3•T2 σp sigmap 30•106

8 Rezistenţă la rezonanţă kΩ Rr rr 48

Date mediu cuplaj acustic

1 Mediu de propagare apa

2 Viteza propagare sunet în apă m/s CLmediu clmediu 1492

3 Densitate apă kg/m3 γapă gamaapa 1•103

Date traductor

1 Frecvenţa kHz f f 30

2 Intensiatea medie a undelor radiante N/cm2 Ia ia 8

3 Tensiune de lucru V U U 220

4 Inducţia de lucru T B B 0,1

5 Puterea acustică specifică W/cm2 Ps Ps 50

6 cos φ cos φ cosfi 0,85..0,95

7 Randamentul electroacustic ηa etaa 0,5

8 Intensitatea câmpului de magnetizare A/m H H