DE910609C - Verfahren und Vorrichtung zur linearmagnetostriktiven Ultraschallerzeugung - Google Patents

Description

• Verfahren und Vorrichtung zur linearmagnetostriktiven Ultraschallerzeugung Bei der Ultraschallerzeugung mittels Linearmagnetostriktion erhält man Amplituden, die keineswegs der maximalen Längenänderung entsprechen, die man der experimentell ermittelten Magnetostriktionsneukurve entnimmt, welche die relative Längenänderung als Funktion des äußeren Magnetfeldes darstellt.
• Die Ursache für die Amplitudenverkleinerung liegt in der Remanenz des verwendeten Ferromagnetikums. Die praktisch erreichbare Maximalamplitude entspricht der Differenz zwischen der Längenänderung bei der Sättigungsmagnetisierung und der bei dem Remanenzwert der Magnetisierung vorhandenen Längenänderung.
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur magnetischen Schwingungserzeugung, bei welchen nicht nur die durch die Remanenz bedingte Amplitudenverkleinerung aufgehoben, sondern darüber hinaus auch noch der Quereffekt der Linearmagnetostriktion zur Amplitudenvergrößerung ausgenutzt wird.
• Dieses Ergebnis wird erfindungsgemäß dadurch gewonnen, daß der Schwingkörper abwechselnd in zwei aufeinander senkrecht stehenden Richtungen magnetisch erregt wird. Durch eine derartige Kreuzfelderregung kommen jeweils nach einer halben Schwingungsdauer Resultanten der Weißschen Vektoren zustande, die senkrecht zueinander stehen. Hierbei ergibt sich nicht nur eine Aufhebung der verminderten Wirkung der Remanenz in Richtung des Wellenvektors des Schwingers, sondern auch eine Querdilatation bzw. Querkontraktion. Beide Effekte tragen zur Vergrößerung der Schwingungsamplitude bei.
• Die Zeichnung zeigt eine beispielsweise Ausführung eines Schallgebers nach der Erfindung. Der würfelförmige, aus Blechen aufgebaute magnetische Schwingkörper i ist zweigängig derart mit isoliertem Spulendraht bewickelt, daß zwei mit ihren Windungsflächen senkrecht stehende, ineinanderliegende Spulen 2a und 2b und zwei Spulen 3a und 3b mit waagerechten Windungsflächen vorhanden sind. Die Spulen 2a und 3a sind ebenso wie die Spulen 2b und 3b hintereinandergeschaltet. Das erstgenannte Spulenpaar dient der permanenten magnetischen Felderregung, das zweitgenannte der elektroakustischen Wandlung. Demgemäß wird das erste mit Gleichstrom, das zweite mit Wechselstrom solcher Frequenz gespeist, die der mechanischen Eigenfrequenz des Schwingkörpers entspricht. Das von Gleichstrom durchflossene Spulenpaar bewirkt, Nickel als ferromagnetischen Werkstoff angenommen, eine Kontraktion des Schwingkörpers besonders in Richtung der Resultante der Feldvektoren H und H'. Die Beträge von H und H' werden so gewählt, daß halbe Sättigung des Schwingkörpers zustande kommt, ein Wert, der etwa mit der üblichen magnetischen Polarisierung von magnetostriktiven Ultraschallgebern übereinstimmt, bei denen keine Frequenzverdoppelung eintreten soll. Wird nun das zweite Wicklungspaar von Wechselstrom mit einer Stromamplitude durchflossen, die etwa der Stärke des Gleichstroms des ersten Spulenpaares entspricht, so tritt wechselweise eine maximale Kontraktion in Richtung der Vektoren H und H' ein. Das bedeutet aber in Richtung des Wellenvektors, der mit dem Feldvektor H gleichgerichtet ist, zur Zeit maximale Kontraktion unter der Voraussetzung, daß in diesem Augenblick die Ströme in den Spulen 3a und 31, deren Achsen parallel zum Wellenvektor liegen, gleiche Richtungen haben. Während der zweiten Halbschwingung tritt in Richtung des Wellenvektors eine positive Längenänderung durch die Querdilatation ein, die aus der magnetostriktiv bedingten Kontraktion in Richtung des Feldvektors H' resultiert. Es herrscht wechselweise in den Zeitpunkten USW. in der Feldrichtung H ein Maximum, in der Richtung H' ein Minimum der Erregung (Feld-Kompensation infolge antiparalleler Feldvektoren der koaxialen Spulen). In den Zeitpunkten t, 2t, 3t usw. beträgt dagegen die Erregung in Richtung von H ein Minimum, in Richtung von H' ein Maximum. Da bei derartiger Kreuzerregung die Weißschen Vektoren wechselweise senkrecht zueinander stehen, kommt es jeweils vorübergehend zur Aufhebung der Remanenz.
• Die beschriebene Einrichtung ermöglicht demnach bei linearmagnetostriktiver Erzeugung mechanischer Schwingungen erheblich größere Amplituden, als dies nur mit Anwendung der Felderregung in Richtung des Wellenvektors, wie bisher allgemein üblich, der Fall ist. Der auf diese Weise zu erwartende Maximalwert der Elongation beträgt bei Nickel relativ etwa 6o - io-s. Dagegen ergibt sich bei Anwendung der üblichen Methode, linearmagnetostriktive Schwinger zu betreiben, ein Maximalwert von etwa 15 - io-e. Dieser Sachverhalt läßt es nicht mehr als erforderlich erscheinen, für die Herstellung magnetostriktiver Ultraschallgeber das verhältnismäßig teure Nickel zu verwenden, sondern man kann ferromagnetische Werkstoffe wählen, die einen kleineren Effekt zeigen als reines Nickel, z. B. eine Eisen-Nickel-Legierung mit etwa q. 0J, Nickelgehalt. Mit dieser Legierung sind bei Ausnutzung des Quereffektes und der Remanenzkompensation ähnliche Amplituden zu erzielen wie bei Nickel, das lediglich linearmagnetostriktiv erregt wird. Es können auch Eisen-Silizium-Legierungen verwendet werden, sofern der Siliziumgehalt unter 7 °/o liegt; der diesen Legierungen eigene Villari- oder Umkehrpunkt der Magnetostriktionskurve stört hierbei nicht, falls die Summe von Gleichstrom- und Wechselstromamplitude eine Längenänderung bis zum Scheitel der Magnetostriktionskurve bewirkt.

Claims (2)

1. PATENTANSPRÜCHE: i. Verfahren zur linearmagnetostriktiven Ultraschallerzeugung, dadurch gekennzeichnet, daß der ferromagnetische Schwingkörper abwechselnd in zwei aufeinander senkrecht stehenden Richtungen magnetisch erregt wird.
2. 2. Vorrichtung zur Ausübung des Verfahrens nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingkörper je zwei mit ihren Windungsflächen aufeinander senkrecht stehende Spulenpaare trägt, die durch zweigängige Bewicklung nacheinander hergestellt sind, so daß jede einzelne Wicklung zwei hintereinandergeschaltete, senkrecht zueinander stehende Spulen ergibt und die eine Wicklung mit vormagnetisierendem Gleichstrom, die andere mit dem die magnetostriktiven Schwingungen erzeugenden Wechselstrom gespeist wird.