稀土超磁致伸缩震源的设计
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１ ０
ｎ ｚ ＝ 一
ｋ Ｉ ｄ ｒ
ｌ 【 ）
ｎ ＝ 一
．
２结构设计
超磁致伸缩换能器 由以下几部 分构成： 稀土致伸缩棒 、
（ ２）
式中 ：
分别为线圈的排绕系数和叠绕系数 ，它们 的数值随导线直径不 同而改 变，如表 １所示。
、 一
表 １ 导 线 直 径 不 同 的 和 值
中图分类号 ：Ｔ Ｆ ８ 文献标识码 ：Ｂ文章编号 ：１ ０ ０ ３ — ８ ９ ６ ５ （ ２ ０ １ ７ ） ０ ５ — ０ ０ ６ ９ — ０ ２
在建筑工程 无损检 测 中，利用声波测试 是一种很常见
的 方 法 ，但 受 限于 传 统 声 波 换 能 器 的影 响 ，大部 分 声 波 换
１ ． ２稀土超磁致伸缩材料 的优点 传统 声波发生器多采用压 电陶瓷材料 ，单稀土超磁 ， 具有下列优点 ： １） 与普通致伸缩材料相比 ， 磁致伸缩性要高 出 １ Ｏ 倍。
２） 仅 在使 用较弱磁 场时就 可 以具 备较 大 变形 ，杜 绝
了使 用 高 电压 引起 的事 故 隐患 。
颈紧螺栓
配置
图 １超磁致伸缩换能器结构示意图
某些晶体物质和陶瓷材料在 外力或其他外部能量作用 下产 生变形 ，在这些物质 的表面 会产生 电荷 ，这种现 象被
称 之为压 电效应 ，也可称之 为电致伸缩效应。这种现象在 工程应 用中十分广泛 ，可 以制造 出各种换 能器和传感器 ， 比如 各种速度计、加速度计 、超声 波换 能器、声音存储设
３）稀土棒 的直径 与线 圈的 内径尽 可能接 近 ，有利于
充分利用磁场 能。
２ ． １ ． ２激励线圈的设计 激发线圈一般采用漆包线 为材 料 ，遵循在最小体积 下
获得最 多缠绕 圈数 为原则 。 超磁 致伸缩换 能器 激励 线圈的具体 设计步骤如下。
３） 可 以产生较大 的机械能 。
漆包 线圈、张紧螺杆 、碟簧 、配重、发射头 、外壳 、如 图
１ 所示：
能器产生 的声 波频 率单一 ，穿透性 比较差 。在 此本文介绍
一
种可 以发射超磁 多波 ，具有多种频率 ，且穿透性较 强的
稀 土超磁致伸缩换 能器 ，以满足建筑工程 中的无损检 测要
求。
１ 设计原理
１ ． １ 磁致伸缩效应
４）本体材料 能够承 受较大压 力 ，可 以在特定环境 执
行工作任务。 ５）电、动能转换率高 。 ６） 传输 巨大 的单位体积 的能量 。 ７）响应速度快。 ８） 无时效 、无疲劳 、无过热失效 问题。
选用漆 包线 直径 为 ｄ ｒ ，求 出线 圈单位 长度 上 的匝数 ｎ 和单位厚度上 的匝数 ｎ ２
备等。
２ ． １ 超磁 致伸缩换 能器 的结构设 计
通过精确 的设计和合理 的阻抗 匹配 ，可使换 能器 产生
较大震动 ，制造出较大功率声能。
２ ． １ ． １线圈骨架 的设计 ，线圈骨架设计 的基本要求是 ： １）必须使用非导磁 材料。
２）稀土 致伸缩棒 的长度须 短于 线圈长度 ，有利于磁 场对稀土棒 的覆盖。
稀 土超磁 致伸缩 震源的设 计
Ｔｈｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈｅ ｒ ａ ｒ ｅ — － ｅ ａ ｒ ｔ ｈ ｇｉ ａ ｎ ｔ － ・ ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｏ ｓ ｔ ｒ ｉ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ
漆 首栋 周 炜 （ 江西 省建 筑科 学研 究 院 ，江 西 南 昌 ３ ３ ０ ０ ４ ６ ）
摘 要 ：本文基 于稀 土超磁 致伸缩声 波换 能器与传统声波换 能器的优点 ，从 结构 和电路 两个方 面进行介 绍稀土超磁致
伸缩震 源的设 计 ，作为一种 新型震源必将 在工程检 测 中发挥 重要 作用。
关键词 ：稀 土 ；超磁 致伸 缩 ；震源设计 ；无损检 测
Ａｂ ｓｔｒ ａ ｃｔ： Ｔｈｉ ｓ ｐａ ｐｅ ｒ ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏｎ ｔ ｈ ｅ ａ ｄｖ ａ ｎ ｔ ａ ｇ ｅ ｏｆ ｒ ａ ｒ ｅ —ｅ ａ ｒ ｔ ｈ ｇ ｉ ａ ｎｔ ｍａ ｇｎｅ ｔ ｏｓ ｔ ｒ ｉ ｃ ｄｖｅ ａ ｃ ｏ ｕｓ ｉｃ ｔ ｔ ｒ ａ ｎｓ ｄ ｕｃ ｅ ｒ ａ ｎｄ ｔ ｒ ａ ｄｉ ｔ ｉ ｏｎ ａ ｌ ａ ｃ ｏｕ ｓ ｔ ｉ ｃ
导线直径 （ ｍｍ ）
＜ Ｏ． ５ Ｏ． ５１ ～ １ ． Ｏ８
一
弹性模量 ； 密度 ；
一
排 绕 系 数
１ ． １ １ ． ０ ５
ห้องสมุดไป่ตู้叠绕 系数
一
１ １ ５ １ １ ５
泊松 比： Ｒ （ ｎ ） 一低阶频率 方程 的根。 在选定 了系统 的工作频 率后 ，根 据式 （ ３ ） 计算 出板 的 厚 度。板 的材料 与外部框 架 的材 料都取 为 ４ ５号 钢 ，这样
ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｄ ｕ ｃ ｅ ｒ ，ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ ｒ ａ ｒ ｅ — ｅ ａ ｒ ｔ ｈ ｉａ ｇ ｎ ｔ ｍａ ｎｅ ｇ ｔ ｏ ｓ ｔ ｒ ｉ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ｆ ｒ ｏ ｍ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ａ ｎ ｄ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｔ ＷＯ ａ ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｓ ， ｗｈ ｉ ｃ ｈ ａ ｓ ａ ｎ ｅ ｗ ｔ ｙ ｐ ｅ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ｗｉ ｌ ｌ ｐ ｌ ａ ｙ ａ ｎ ｉ ｍｐ ｏ ｒ ｔ ａ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｅ ｉ ｎ ｅ ｎ ｉｎ ｇ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ｔ ｅ ｓ ｉ ｔ ｎ ｇ ． Ｋ ｅ ｙ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ： ｒ ａ ｒ ｅ ｅ ａ ｔ ｒ ｈ ；ｇ ｉ ａ ｎ ｔ ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ Ｏ ｓ ｔ ｉ ｒ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ；ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ ；ｎ ｇ ｏ ｎ ｄ ｅ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｉ ｔ ｖ ｅ ｔ ｅ ｓ ｔ ｉ ｎ ｇ
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超磁致伸缩换能器 由以下几部 分构成： 稀土致伸缩棒 、
（ ２）
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分别为线圈的排绕系数和叠绕系数 ，它们 的数值随导线直径不 同而改 变，如表 １所示。
、 一
表 １ 导 线 直 径 不 同 的 和 值
中图分类号 ：Ｔ Ｆ ８ 文献标识码 ：Ｂ文章编号 ：１ ０ ０ ３ — ８ ９ ６ ５ （ ２ ０ １ ７ ） ０ ５ — ０ ０ ６ ９ — ０ ２
在建筑工程 无损检 测 中，利用声波测试 是一种很常见
的 方 法 ，但 受 限于 传 统 声 波 换 能 器 的影 响 ，大部 分 声 波 换
１ ． ２稀土超磁致伸缩材料 的优点 传统 声波发生器多采用压 电陶瓷材料 ，单稀土超磁 ， 具有下列优点 ： １） 与普通致伸缩材料相比 ， 磁致伸缩性要高 出 １ Ｏ 倍。
２） 仅 在使 用较弱磁 场时就 可 以具 备较 大 变形 ，杜 绝
了使 用 高 电压 引起 的事 故 隐患 。
颈紧螺栓
配置
图 １超磁致伸缩换能器结构示意图
某些晶体物质和陶瓷材料在 外力或其他外部能量作用 下产 生变形 ，在这些物质 的表面 会产生 电荷 ，这种现 象被
称 之为压 电效应 ，也可称之 为电致伸缩效应。这种现象在 工程应 用中十分广泛 ，可 以制造 出各种换 能器和传感器 ， 比如 各种速度计、加速度计 、超声 波换 能器、声音存储设
３）稀土棒 的直径 与线 圈的 内径尽 可能接 近 ，有利于
充分利用磁场 能。
２ ． １ ． ２激励线圈的设计 激发线圈一般采用漆包线 为材 料 ，遵循在最小体积 下
获得最 多缠绕 圈数 为原则 。 超磁 致伸缩换 能器 激励 线圈的具体 设计步骤如下。
３） 可 以产生较大 的机械能 。
漆包 线圈、张紧螺杆 、碟簧 、配重、发射头 、外壳 、如 图
１ 所示：
能器产生 的声 波频 率单一 ，穿透性 比较差 。在 此本文介绍
一
种可 以发射超磁 多波 ，具有多种频率 ，且穿透性较 强的
稀 土超磁致伸缩换 能器 ，以满足建筑工程 中的无损检 测要
求。
１ 设计原理
１ ． １ 磁致伸缩效应
４）本体材料 能够承 受较大压 力 ，可 以在特定环境 执
行工作任务。 ５）电、动能转换率高 。 ６） 传输 巨大 的单位体积 的能量 。 ７）响应速度快。 ８） 无时效 、无疲劳 、无过热失效 问题。
选用漆 包线 直径 为 ｄ ｒ ，求 出线 圈单位 长度 上 的匝数 ｎ 和单位厚度上 的匝数 ｎ ２
备等。
２ ． １ 超磁 致伸缩换 能器 的结构设 计
通过精确 的设计和合理 的阻抗 匹配 ，可使换 能器 产生
较大震动 ，制造出较大功率声能。
２ ． １ ． １线圈骨架 的设计 ，线圈骨架设计 的基本要求是 ： １）必须使用非导磁 材料。
２）稀土 致伸缩棒 的长度须 短于 线圈长度 ，有利于磁 场对稀土棒 的覆盖。
稀 土超磁 致伸缩 震源的设 计
Ｔｈｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ ｔ ｈｅ ｒ ａ ｒ ｅ — － ｅ ａ ｒ ｔ ｈ ｇｉ ａ ｎ ｔ － ・ ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ ｏ ｓ ｔ ｒ ｉ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ
漆 首栋 周 炜 （ 江西 省建 筑科 学研 究 院 ，江 西 南 昌 ３ ３ ０ ０ ４ ６ ）
摘 要 ：本文基 于稀 土超磁 致伸缩声 波换 能器与传统声波换 能器的优点 ，从 结构 和电路 两个方 面进行介 绍稀土超磁致
伸缩震 源的设 计 ，作为一种 新型震源必将 在工程检 测 中发挥 重要 作用。
关键词 ：稀 土 ；超磁 致伸 缩 ；震源设计 ；无损检 测
Ａｂ ｓｔｒ ａ ｃｔ： Ｔｈｉ ｓ ｐａ ｐｅ ｒ ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏｎ ｔ ｈ ｅ ａ ｄｖ ａ ｎ ｔ ａ ｇ ｅ ｏｆ ｒ ａ ｒ ｅ —ｅ ａ ｒ ｔ ｈ ｇ ｉ ａ ｎｔ ｍａ ｇｎｅ ｔ ｏｓ ｔ ｒ ｉ ｃ ｄｖｅ ａ ｃ ｏ ｕｓ ｉｃ ｔ ｔ ｒ ａ ｎｓ ｄ ｕｃ ｅ ｒ ａ ｎｄ ｔ ｒ ａ ｄｉ ｔ ｉ ｏｎ ａ ｌ ａ ｃ ｏｕ ｓ ｔ ｉ ｃ
导线直径 （ ｍｍ ）
＜ Ｏ． ５ Ｏ． ５１ ～ １ ． Ｏ８
一
弹性模量 ； 密度 ；
一
排 绕 系 数
１ ． １ １ ． ０ ５
ห้องสมุดไป่ตู้叠绕 系数
一
１ １ ５ １ １ ５
泊松 比： Ｒ （ ｎ ） 一低阶频率 方程 的根。 在选定 了系统 的工作频 率后 ，根 据式 （ ３ ） 计算 出板 的 厚 度。板 的材料 与外部框 架 的材 料都取 为 ４ ５号 钢 ，这样
ｔ ｒ ａ ｎ ｓ ｄ ｕ ｃ ｅ ｒ ，ｉ ｎ ｔ ｒ ｏ ｄ ｕ ｃ ｅ ｔ ｈ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｏ ｆ ｒ ａ ｒ ｅ — ｅ ａ ｒ ｔ ｈ ｉａ ｇ ｎ ｔ ｍａ ｎｅ ｇ ｔ ｏ ｓ ｔ ｒ ｉ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ｆ ｒ ｏ ｍ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ａ ｎ ｄ ｃ ｉ ｒ ｃ ｕ ｉ ｔ ｔ ＷＯ ａ ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｓ ， ｗｈ ｉ ｃ ｈ ａ ｓ ａ ｎ ｅ ｗ ｔ ｙ ｐ ｅ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ｗｉ ｌ ｌ ｐ ｌ ａ ｙ ａ ｎ ｉ ｍｐ ｏ ｒ ｔ ａ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｅ ｉ ｎ ｅ ｎ ｉｎ ｇ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ｔ ｅ ｓ ｉ ｔ ｎ ｇ ． Ｋ ｅ ｙ ｗ ｏ ｒ ｄ ｓ ： ｒ ａ ｒ ｅ ｅ ａ ｔ ｒ ｈ ；ｇ ｉ ａ ｎ ｔ ｍａ ｇ ｎ ｅ ｔ Ｏ ｓ ｔ ｉ ｒ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ；ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ ；ｎ ｇ ｏ ｎ ｄ ｅ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｉ ｔ ｖ ｅ ｔ ｅ ｓ ｔ ｉ ｎ ｇ