磁致伸缩效应

磁致伸缩效应


所谓磁致伸缩效应，是指铁磁体在被外磁场磁化时，其体积和长度将发生变化的现象。磁致伸缩效应引起的体积和长度变化虽是微小的，但其长度的变化比体积变化大得多，是人们研究应用的主要对象，又称之为线磁致伸缩。线磁致伸缩的变化量级为10-5～10-6。它是焦耳在1842年发现的，其逆效应是压磁效应。



磁致伸缩效应可用来设计制作应力传感器和转矩传感器。利用磁致伸缩系数大的硅钢片制取的应力传感器多用于1t以上重量的检测中。其输入应力与输出电压成正比，一般精度为1%～2%，高的可达0.3%～0.5%。磁致伸缩转矩传感器可以测出小扭角下的转矩。



磁致伸缩用的材料较多，主要有镍、铁、钴、铝类合金与镍铜钴铁氧陶瓷，其磁致伸缩系数为10-5量级。高磁致伸缩系数（≥10-3量级）的材料也被开发出了，如铽铁金属化合物——TbFe2、TbFe3和



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电磁超声波技术钢管无损检测中的应用



摘要：

电磁超声波技术钢管探伤中的应用电磁超声波技术自上世纪60年代末诞生以来，经过长足的发展已经日趋成熟。特别是其不需要耦合传声介质和适应粗糙表面探伤要求的特点，使其在热扩无缝钢管探伤和焊缝钢管探伤方面具有得天独厚的优势。

电磁超声波的激发机理：

在铁磁金属中，电磁超声波的激发有三种机理：罗伦兹力、磁致伸缩力、电磁力，通常认为前二种力占主导作用。

1.罗伦兹力机理：

假设在金属上放置一载有高频电流的导线，高频电流将在金属表面的趋肤深度内感应出同频率方向相反的涡流。在外磁场下，金属中的电子将在罗伦兹力的作用下，传递结晶点阵而产生振动。如将多个载有同相电流的导线紧密而平行排布在金属表面上，在外磁场下会产生声波，如在多个导线上加载周期性变化方向的电流，金属表面将产生周期性扰动力，在满足一定的激发条件时，则会产生表面波、SH波和Lamb波。这是电磁超声波的一个主要特点，使其可以在不变更换能器的情况下，实现波模的自由转换。

2.磁致伸缩力机理 ：

铁磁性材料置于磁场中，会产生形变，这一现象称为磁致伸缩效应。磁致伸缩效应可分为线磁致伸缩和体磁致伸缩。如外加磁场为高频磁场，而在频率满足一定条件时，磁致伸缩效应就会在铁磁材料中激发出超声波。

电磁超声波的产生是由罗伦兹力、线磁致伸缩和体磁致伸缩机理综合作用的产物，究竟哪一种机理为主，是由频率、外磁场强度、材料特

性及温度等决定的。

电磁超声波探伤系统　

电磁超声波探伤系统的结构组成

电磁超声波探伤系统一般由传送辊道，上料台架，下料台架，前、中、后压辊，横向探伤主机，纵向探伤主机，电气控制柜，操作台，横向仪器柜，纵向仪器柜等部分组成。

探伤过程简述

钢管经球型辊道，依次直线进入探伤区域，由于球型辊道以一定角度旋转，使钢管由直线前进变为螺旋前进，先后进入纵向探伤主机和横向探伤主机，两组纵向探头和两组横向探头依次同时落下，对钢管表面纵向和横向螺旋扫查，计算机系统以动画形式显示钢管及探头的运行状态，并将探伤结果记录和存储下来，扫查完毕后探头依次抬起，钢管旋转运行出探伤区域后，合格钢管下料/判废钢管分选。

探伤条件

电磁超声波探伤仪器

使用营口北方检测设备有限公司的EMA—Ⅲ型二通道电磁超声波探伤仪器2台（纵向检测、横向检测各一台），具有A型脉冲显示，声光报警，增益、阀门设置、零位调校，均可独立调整，每个通道均可独立完成探伤任务探伤检测结果

实际探伤时，依据对比试样调整设备同心和设置探伤报警门限，后对钢管进行探伤。缺陷波高达到或超过门限，判为探伤不合格，钢管分选。在实际对数千吨热扩无缝钢管进行探伤后，从探伤结果看，检测结果准确，为热扩管产品质量把关提供了可靠的保证。特别是对一些肉眼不易发现的小缺陷，只要其深度当量值达到报警门限，没有出现漏检。下面是我们进行实际探伤中检测出的几种典型的缺陷。

结疤缺陷

在对φ325×8热扩管进行探伤时发现此缺陷，如图6所示，缺陷的产生是由于原料管上存在微小的结疤缺陷，在扩径过程中对缺陷放大造成的，此缺陷是由纵向仪器发现的，伤波刚刚达到报警门限。由图可见，缺陷是4条近似平行的结疤组成，最长约43mm 对φ325×10热扩管探伤时，纵向发现如图7所示的结疤缺陷，此缺陷与图6相比更小，在原料管上肉眼根本不可能发现，但在扩径后，缺陷放大，如出厂将产生质量异议。此缺陷由于长度约28mm，纵向仪器报警后，反复确认后才对其定位。（因钢管旋转前进，缺陷定位困难）对于横向探伤来讲，端头存在探伤盲区，当钢管刚刚进入和即将移出探伤区域时，由于横向探头发射信号到达钢管端头，反复产生端头的强反射信号，仪器反复报警，对真正的缺陷信号有覆盖可能，有可能造成漏检。

⑴ 电磁超声波技术应用于热扩无缝钢管的探伤是非常适合的；满足GB/T5777—1996标准的要求。

⑵ 电磁超声波技术可以对不同类型缺陷都可检测

出来；对与钢管轴线平行的缺陷更为敏感。

⑶ 由于超声波直线前进的特性，使其对与钢管轴线成约45o夹角的缺陷，检测灵敏度降低，如使用与钢管轴线成一定夹角的倾斜探头，将解决此问题。



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超声波





超声学是研究超声的产生、接收和在媒质中的传播规律，超声的各种效应，以及超声在基础研究和国民经济各部门的应用等内容的声学重要分支。频率高于人类听觉上限频率(约20000赫)的声波,称为超声波，或称超声。



超声的研究和发展，与媒质中超声的产生和接收的研究密切相关。1883年首次制成超声气哨，此后又出现了各种形式的气哨、汽笛和液哨等机械型超声发生器（又称换能器）。由于这类换能器成本低，所以经过不断改进，至今还仍广泛地用于对流体媒质的超声处理技术中。



20世纪初，电子学的发展使人们能利用某些材料的压电效应和磁致伸缩效应制成各种机电换能器。1917年，法国物理学家朗之万用天然压电石英制成了夹心式超声换能器,并用来探查海底的潜艇。随着军事和国民经济各部门中超声应用的不断发展，又出现更大超声功率的磁致伸缩换能器，以及各种不同用途的电动型、电磁力型、静电型换能器等多种超声换能器。



材料科学的发展，使得应用最广泛的压电换能器也由天然压电晶体发展到机电耦合系数高、价格低廉、性能良好的压电陶瓷、人工压电单晶、压电半导体以及塑料压电薄膜等。产生和检测超声波的频率，也由几十千赫提高到上千兆赫。产生和接收的波型也由单纯的纵波扩大为横波、扭转波、弯曲波、表面波等。如频率为几十兆赫到上千兆赫的微型表面波都已成功地用于雷达、电子通信和成像技术等方面。



近年来，为了物质结构等基础研究的需要，超声波的产生和接收还在向更高频率(1012赫以上)发展。例如在媒质端面直接蒸发或溅射上压电薄膜或磁致伸缩的铁磁性薄膜，就可获得数百兆赫直至几万兆赫的超声；利用凹型的微波谐振腔，可在石英棒内获得几万兆赫的超声。此外，用热脉冲、半导体雪崩、超导结、光子与声子的相互作用等方法，产生或接收更高频率的超声。



超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律与可听声波的并无质的区别。超声在一般流体媒质(气体、液体)中的传播理论已较成熟，然而声波在高速流动的流体媒质中的传播，在液晶等特殊液体中的传播，以及大振幅声波在流体媒质中传播的非线性问题等的研究，

仍在不断发展。



当超声在媒质中传播时，由于声波和媒质之间的相互作用，使媒质发生一系列物理的和化学的变化，也出现一系列力学、光学、电、化学等超声效应。



交变的振动作用是指由于媒质在一定频率和声强的超声波作用下做受迫振动，而使媒质中的质点位移、速度、加速度以及媒质中的应力等分别达到一定的数值而产生一系列超声效应。当质点速度远小于媒质中的声速时，所产生的机械效应，如悬浮粒子的凝聚、声光衍射、超声在压电或压磁材料中感生电场或磁场等，可用线性声学理论说明，故称为线性的交变机械作用。声振动的非线性而产生像锯齿波形效应和各种直流定向力，并由此而产生了一系列特殊的超声效应，如超声破碎、局部高温、促进化学反应等等。





当液体中有强度超过该液体的空化阈的超声传播时，液体内会产生大量的气泡，小气泡将随着超声振动而逐渐生长和增大，然后又突然破灭和分裂，分裂后的气泡又连续生长和破灭，这种现象称之为空化。



这些小气泡急速崩溃时在气泡内产生了高温高压并且由于气泡周围的液体高速冲入气泡，而在气泡附近的液体中产生了强烈的局部激波，也形成了局部的高温高压，从而产生了超声的清洗、粉碎、乳化、分散、促进化学反应等一系列的作用，同时还伴有强烈的空化噪声和声致发光。在液体中进行的超声处理技术，大多数都与空化作用有关。 以超声为工具,来检验、测量或控制各种非声学量及其变化的超声检测和控制技术。用超声波易于获得指向性极好的定向声束，加上超声波能在不透光材料中传播，因此它已广泛地用于各种材料的无损探伤、测厚、测距、医学诊断和成像等。

　

当前，超声检测这方面的新研究和新应用仍在不断地出现，例如声发射技术和超声全息等等。而采用数字信号处理技术来解决超声检测中以往尚未解决或尚未圆满解决的问题的研究工作，近年来也非常活跃。

　

超声处理是通过超声对物质的作用而来改变或加速改变物质的一些物理、化学、生物特性或状态的技术。由于使用适当的换能器可产生大功率的超声波，而通过聚焦、增幅杆等方法，还可获得高声强的超声，加上液体中的空化现象，使得利用超声进行加工、清洗、焊接、乳化、粉碎、脱气、促进化学反应、医疗，以及种子处理等已经广泛地应用于工业、农业、医学卫生等各个部门，并还在继续发展。但很多应用机理至今尚未搞清，有待深入研究。



机械运动是最简单、也最普通的物质运动，它和其他

形式的物质运动以及物质结构之间的关系非常密切。超声振动本身就是一种机械运动，因此，超声方法也是研究物质结构的一个重要途径。20世纪40年代起，人们在研究媒质中超声波的声速和声衰减随频率变化的关系时，就陆续发现了它们与各种分子弛豫过程及微观谐振过程(如铁磁、顺磁、核磁共振等)之间的关系，从而形成了分子声学的分支学科。



随着人们能产生和接收的超声波频率的不断提高，目前已正在逐步接近点阵热振动的频率，利用这些甚高频超声的量子化声能来研究原子间的相互作用、能量传递等问题是十分有意义的。通过对甚高频超声声速和衰减的测定，可以了解声波与点阵振动的相互关系及点阵振动各模式之间的耦合情况，还可以用来研究金属和半导体中声子与电子、声子与超导结、声子与光子的相互作用等。因此，超声和电磁辐射及粒子轰击一起列为研究物质微观结构和微观过程的三大重要手段。与之有关的一门新分支学科——量子声学也正在形成。



超声学是一门应用性和边缘性很强的学科，从它一百多年来的发展可以看出，超声学是随着它在国防、工农业生产、医学、基础研究等领域中应用的不断深入而得到发展的。它不断借鉴电子学、材料科学、光学、固体物理等其他学科的内容，而使自己更加丰富。同时，超声学的发展又为这些学科的发展提供了一些重要器件和行之有效的研究手段。如超声探伤和超声成像技术都是借鉴了雷达的原理和技术而发展起来的，而超声的发展又为电子学、光电子学、雷达技术的发展提供了超声延迟线、滤波器、卷积器、声光调制器等重要的体波和表面波器件。

　

但是，超声学仍是一门年轻的学科，其中存在着许多尚待深入研究的问题，对许多超声应用的机理还未彻底了解，况且实践还在不断地向超声学提出各种新的课题，而这些问题的不断提出和解决，都已表明了超声学是在不断向前发展。



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精密合金

precision alloys

具有特殊物理性能(如磁学、电学、热学等性能)，用来制造电子、电工器件和精密仪器、仪表的金属材料。其中一些合金还兼具特定的化学和力学性能。精密合金一词来源于俄文Прецизионные сплавы，中国始用于20世纪50年代。日本称这类材料为电磁合金，美、英等国称为磁性合金（magnetic alloys）,并且所包括的材料品种也不尽相同。精密合金通常包括软磁合金、硬磁（永磁）合金、半硬磁合金、高磁致伸缩合金、精密电阻合金

、弹性合金、膨胀合金、热双金属、热电偶材料、触点材料等。

磁性合金 磁滞回线(图1)是磁性材料基本特性曲线。Hc为矫顽力,Hc值低于10Oe的合金为软磁合金；作为软磁合金，通常希望Hc值尽量小,即磁滞回线所包围的面积愈窄小愈好。目前这类合金的Hc最低值约为0.002Oe。Hc值为10～300Oe的合金为半硬磁合金。Hc值高于300Oe的合金为硬磁合金。作为硬磁合金，通常希望Hc值尽量大，即磁滞回线所包围的面积愈宽大愈好。目前这类合金的Hc最高值约10000Oe。


磁致伸缩合金 磁性材料在磁化时发生的尺寸变化称为磁致伸缩，在饱和磁化下所产生的磁致伸缩称为饱和磁致伸缩(λs)。λs≥30×10-6的合金一般称为磁致伸缩合金或高磁致伸缩合金。图2示出几种 Fe-Co合金的磁致伸缩随磁场变化的曲线。钴含量高的合金λs都很高，都属于磁致伸缩合金。


弹性合金 包括高弹性合金和恒弹性合金。恒弹性合金又称艾林瓦(Elinvar)合金，它的弹性模量(E)在一定的温度范围内几乎不随温度变化,即E的温度系数很小(10-5～10-7℃-1)。图3示出Fe-Ni合金和艾林瓦型36Ni－12Cr-Fe合金的E随温度变化的典型曲线。图中的曲线2表明在一定的温度范围内E几乎保持恒定。


膨胀合金 包括定膨胀合金（膨胀合金）和低膨胀合金两种。低膨胀合金又称因瓦(Invar)合金,这类合金热膨胀系数极低(10-6～10-7℃-1)，在一定的温度范围内尺寸几乎不随温度变化。图4示出因瓦型合金的膨胀曲线在一定温度范围内有一平台。


精密电阻合金 电阻率温度系数很小(约 10-6℃-1)的合金，在一定温度范围内电阻率基本上不随温度变化。图5为几种精密电阻合金的电阻率随温度变化的曲线。曲线比较平坦的区域电阻率变化很小。


热双金属 由热膨胀系数不同的两层或多层合金牢固结合在一起的复合材料。其中一层是低热膨胀合金，另一层是热膨胀系数较高的合金。如图6所示，热双金属随温度的变化出现热偏转。选择不同的组元层可以得到不同的热偏转，由此可以产生一定的力，用以控制开关。


精密合金广泛用于精密仪器、仪表以及电子、电工器件，如电声器件、电子计算机、微波器件、电学测量器件、变压器和电机等。

工艺要求 精密合金的许多物理特性都对材料的微观结构敏感，其特性同成分、非金属夹杂物、晶体结构、磁结构、原子有序度以及晶体缺陷和应力等有密切关系。因此，必须严格控制精密合金的制造工艺。产品一般都要求具有精确的外形尺寸和光洁的表面。主要工艺有:熔炼和塑性加工法、铸造法和粉末冶金法。精密合金的熔炼大都采用真空熔炼

（见真空冶金）工艺。有些合金要求具有一定的晶体择优取向（晶体织构）和磁取向（磁织构）。所以有的合金在铸造时采用定向结晶工艺以形成一定的晶体取向，有的则需通过几个工序（如热处理和塑性加工等工序）的组合，以形成所需要的晶体取向；有些合金则须在一定的工序中施加一磁场，例如在一定的磁场下进行压制成型，或进行磁场热处理，以形成磁取向；有些合金须在一定的介质中进行热处理，例如氢气热处理等。



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磁致伸缩

magnetostriction

强磁物质在外磁场作用下，其体积和形状发生变化的现象。每个磁畴（见铁磁性、磁介质）的自发磁化来源于相邻原子中不配对电子的自旋磁矩的强耦合作用，这种作用可使晶体点阵产生畸变，表现为磁畴的体积和形状的改变，此称为自发形变。当外加磁场时，磁畴结构和磁化状态发生改变，引起磁畴自发形态的变化，从而使强磁体的体积和长度均发生改变，前者称为体磁致伸缩，后者称线磁致伸缩。线磁致伸缩与晶体的各向异性有关，因而具有方向性；体磁致伸缩来源于电子的交换作用，因而是各向同性的。当以交变磁场作用于强磁体时，由于磁致伸缩而引起磁体的机械振动。此原理已用于产生超声波的换能器。

当强磁体受到外力作用时，除像一般固体那样要产生弹性形变外，还会产生磁致伸缩性形变。后者是由于应力使磁畴结构和磁化状态发生变化，进一步引起磁畴的形变，称为力致伸缩，又称磁弹性效应。以声振动作用于强磁体时，其磁化强度将随声振动变化。晶体点阵作不断的热振动，其声频支（见点阵动力学）就能产生磁弹性效应。上述交变磁场引起的声振动和声振动引起的磁化强度的变化均属磁化状态与弹性形变间的相互转换和相互作用问题，统称磁声效应。



磁致伸缩材料

magnetostrictive material

具有显著磁致伸缩效应的磁性材料。已实用的磁致伸缩材料分为3类：①金属磁致伸缩材料。其饱和磁化强度较高，力学性能好，可承受较高的功率，但电阻率低，不适用于高频段。常用的有铁基合金、镍基合金。②铁氧体磁致伸缩材料。其饱和磁化强度较低，材料的气隙率影响其力学性能，故不能承受较高功率，但电阻率高，可用于高频段。③巨磁致伸缩材料。其磁致伸缩系数（材料在磁场力作用下产生的伸缩量与材料原长度之比）远高于常规材料，耦合系数也高；缺点是所需磁化场强高。磁致伸缩材料可用于制造超声和水声换能器件，如超声探伤器、超声钻

头、回声探测器等；用于制造电信器件，如振荡器、滤波器、谐波发生器等；也可用于制造自动控制器件及测量和传感器件。



磁滞损耗

hysteresis loss

铁磁材料在磁化过程中由磁滞现象引起的能量损耗。磁滞指铁磁材料的磁性状态变化时，磁化强度滞后于磁场强度，它的磁通密度B与磁场强度 H之间呈现磁滞回线关系。经一次循环，每单位体积铁心中的磁滞损耗等于磁滞回线的面积。这部分能量转化为热能，使设备升温，效率降低，这在交流电机一类设备中是不希望的。软磁材料的磁滞回线狭窄，其磁滞损耗相对较小。硅钢片因此而广泛应用于电机、变压器、继电器等设备中。



磁阻

reluctance

表征磁路中磁位降与其中磁通关系的参数，与电路中的电阻相似。其定义为

式中l为磁路的平均长度，μ为导磁材料的磁导率，S为导磁体截面。磁阻的倒数为磁导。在国际单位制（SI）中，磁阻的单位是每亨利（H-1）。





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关于超声波变幅杆的模态分析问题（在线等）

我在做一个关于超声波变幅杆的模态分析，针对的是指数型变截面变幅杆，但是在用Ansys求解一阶共振模态时，遇到些问题，请教各位：

1、在求解一阶固有频率时，如何加约束条件，是固定一个截面吗？还是不加约束，让其自由。

2、如何在划分网格的时候，划分成映射型的。

因为不会贴图，所以指数型变幅杆形态模型我放在了附件中，希望大家知道的帮帮我，谢谢。第二章图是我从文献中看到的别人做的，我也想做到这个效果，请问我该如何做？



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超声加工技术是功率超声应用的一个分支,是一种重要的特种加工方法。超声加工装置主要由超声波发生器、换能器、变幅杆等组成,变幅杆的作用是将换能器输出的机械振动位移或速度振幅进行放大,使能量集中在较小的辐射面上,所以又称为超声聚能器,其声学振动特性对整个超声加工装置非常重要。1纵向振动变截面杆的波动方程[1]图1为变截面杆,杆的横截面尺寸远小于波长,其对称轴为X轴,作用在小体积元(x,x+dx)上的张应力为(σ/x)dx,根据牛顿定律,其动力学方程:(Aσ)xdx=Aρ2t2δdx…………………………(1)式中,A为杆的横截面积函数,A=A(x);δ为质点位移函数,δ=δ(x);ρ为杆的材料密度;σ为应力函数,σ=E(δ/x);E为材料弹性模量。在角频率为ω的简谐振动情况下,式(1)写为:2δx2+1AAxxδ+K2δ=0………

……………(2)式中,K为圆波数,K=ω/c;c为纵波在细杆中的传播速度,c=E/ρ。图1变截面杆式(2)为变截面杆纵向振动的波动方程。2半波长悬链形变幅杆的频率方程如图1所示,如果悬链形变幅杆的横截面为圆形,坐标原点x=0处的半径为R0,面积为A0,坐标x=l处...