Электромагнитно-акустическое преобразование поверхностных акустических волн в ферромагнетиках тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

РГ6 од

2 0 Ш*1 ^

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

БАБКИН Сергей Энгелевич

УДК 537.6/8-1-539.3

ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-АКУСТИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛН В ФЕРРОМАГНЕТИКАХ

01.04.07 — физика твердого тела

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Ижевск 1993

Работа выполнена в лаборатории электромагнитных явлений Физико-технического института УрО РАН.

Научные руководители: доктор физико-математических наук, профессор В. А. Комаров; кандидат физико-математических наук, зав. лабораторией Р. С. Ильясов.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Г. А. Буденков; кандидат технических наук, с. н. с. В. А. Хамитов.

Ведущая организация — Челябинский государственный технический университет.

Защита диссертации состоится 1 октября 1993 г. в 14 часов на заседании специализированного совета Д 003.58.01 при Физико-техническом институте УрО РАН.

Адрес: 426001, Ижевск, ул. Кирова, д. 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Физико-технического института УрО РАН.

Автореферат разослан_ 1993 г.

~ з -

ОБЩАЯ ХАРАШРИСГП'М .РАЕШ11

Актуальность проблемы. Современная, наука к техника широко яспояьзуят ультразвуковые методы для реяокия сакых разных задач, Ваетюе место о изучении ультразвука занимают вопросы, связанные с повсрхнсстними акусткческкми солнаик (ПАВ). Это обьяс-няется как распространенностью самого явления, ибо множество изучаемых физических объектов имеют поверхность, так и теми особенностями, которые отделяют ПАВ от друг»« типов вола: вывод из любой точка поверхности, большая концентрация оперт: а верхнем слое, адекватность пданарности распространения этих воля плашркост« структурных построений современной ишрозлектронякн.

В настоящее время ПАВ кепользу»тся в современна устройствах обработки сигналов и в исследовании кристаллов, в изучении фкзшга поверхностных явлений я физике разрушения, в ультразвуковой дефектоскопия л в яеразрушаащем контроле-

Несыотря на достаточно обдирное изучение поверхностных вояп остается шюго неясных моментов кок в физике санах поверхностных воли, так я в отноиешш некоторых вопросов, близко связанных с ними. До сяк пор нет едлно!! теории распространения поверхностных волн в кристаллах, не йь'ленош до конца отдельные вопросы по волнам горлзовталыгой-поляризаций, ояределетшй интерес вызывают исследования близко пришкавдих к ПАВ подпопархности.« волн.

Все'исследователи, изучение ультразвук как явление или вопросы его применения, сталкиваются с проблемой - как возбудить и пр-шять удьтразиу!:ог,1л'о золны. Традкцяомиш методов возбуждения -приема ультразвука в-твердом теле является метод, исяользузозяй пьезоэлемег.тц или ^апмтоетрннтор?л Этот метод получил больпу» известность н распрсютрайение благодаря свое« простоте и большо-

коэффициенту преобразования,. Одчдко его сявс*!М местом бил и остается контакт,- создающий серьезные трудности при использований метода для решена« ряда ксследсеатедьсках и производственник задач. ■ - . .

Нелаико уйти от эш:'трудностей засулзяг.о последователей искать альтсрйатпвя!« методы созбрадення а приема ультразвуковых коли в твердая телах, сзоСодиуе от основного недостатка традиционного метода - контакта иот.г.у прэобрзс.оаатея?м и образцом.

Тек возшшш ^ескотакга:© кзади 'яссЗуздепия я приема

ультразвука. Наиболее широкое- распространение среди них получил электрошгнитно-акустичееккй. Этот метод позволяет бесконтактно возоукдать и принимать ультразвуковые волны в металлам и ферромагнитных диэлектриках.

<Ж ыетод'основан на явлений Ълектромагиигно-акусткческо-го ОМА) преобразования, то есть на-взаимной трансформации электромагнитных" и упругих полек. Этот метод находится на стыке нескольких научных направлений, имещях различную физическую природу, и описываете« в рамках электродинамики сплошных сред, теории упругости, акустики и -ферромагнетизма.. Следовательно при его изучений сушестзуют значительные трудности, связанные,с необходимое* м> увязать воедино разные подсистемы объекта исследования. Однако привлекательные стороны ЭМА метода:, бесконтактиость, быстродействие, возможность автоматизации, широкий круг изучаемых материалов, их свойств различной природы, - определяют интерес к этому методу в нашей стране и за рубежом.

Известные публикации, и предварительные исследования самого автора позволяют сделать предиолокенне о наличии тех особенностей с- изучении преобразования ПАВ, которые отделяат его от других направлений изучения как самих поверхностных волк, так и-ЭМ преобразования обьеыных воли как физического явления.

Применение метода 8МА преобразования ПАВ к ферромагнитным материалам позволяет охватить достаточно большую область материалов, используемых в научных исследованиях и в промышленности.

Цель работы и задачи исследований/. Цель» диссертации является теоретическое и экспериментальное изучение закономерностей электромапштко-якустического преобразования основных типов по-аерхностных волн в ферромагнетиках и определение возмонноетей применения этого явления для физичэских исследований и. нераэру-шающего контроля. '

Поставленная цель достигается:

- решением задачи о двойном ЭИА преобразования иуяевше мод волн горизонтальной поляризацшг (8Н-воли) к волн Лява в ферромагнетиках;

- экспериментальной проверкой теоретических исследований двойного ЗМА преобразования основных типов поверхностных волн (волн Рэлея, Лзмба, БН-волн, волн Яява);

- сравнительным аьализои полученных экспериментальных к

теоретических закономерностей ;

- использованием методик, основанных на ЗМА преобразовании а физическом эксперименте и неразруззмоцем контроле.

Научная новизна а практическая значимость рэзульгатов работы заключается в следующем:

- теоретически решена задача об ЗМА преобразовании волн с горизонтальной поляризацией зекгора смещений - SH-волн и волн Ляпа. Показало,что полевая характеристика этих волн определяется аффектом Вядемана, а , следовательно, отношением коэффициента ¡/агнитострикции к полю, з то вримя как для волн вертикальной поляризация (определяющим является оффекг Даоуля) - производной коэффициента магнитострикцки но поло, что метет бып» использовано для бесконтактной оценка ыагнитострккция материалов;

- получены экспериментальные полееае.и частотные характеристики основных типов ПАВ, подтвердивпие результаты теоретических расчетов;

- объяснено отличие характеристик ЗМЛ преобразования разных типов ПАВ ыенду собой и с другими видами поли;

- показано^ что экстремальную зависимость эффективности ЭМА преобразования Sil-волн от толщины пластин;/ моги о использовать для контроля толщины проката, а однозначную зависимость эффективности ЗМА преобразования волн Яява о? толщины пленки -для толщиисметрии топких пленок-и покрытий;

- разработана методика применения SHA преобразования ПАВ па практике,.определены основные информационные параметры метода - амплитуда принятого сигнала и скорость распространения волны. На примерах показана возможность исаояьзосгшкч метода в физическом эксперименте и неразрушаедем контроле;

- разработан макет прибора 3KÍT-1, реализующий ««зтодкку SMA преобразования ПАВ на практике.

Апробация результате?; работы. Основг.ие результата работы докладывались и обсуждались: на 12 ЗЗсесокшЯ 1Ш "Наразруяаэ-гре физические метода контроля" (Свордлосс:^ 1900), на 4 Всесоюзной НТК "Контроль толщшш покрыт«;» я его четрологическсе обеспечение" {'Ьзэск, 1830)', на BcecowcnoS Ш'Л "Акустоолект-рояиыо устройства обработки тшфэруседвя на поверхностных акустических эояпак" (Чэрхассн, :m 7--Í 0 Урааьгхих pjruo-палкзк ШК-ло соврекяиам методам и^рпгконтроля я

их метрологическому обеспечении (Устинов, 1986; Челябинск, 1887; Свердловск, 1983; Няевск, 1985).

Публикации. Основное' содержанке диссертации изложено в 3 статьях и 3 авторски свидетельствах.

Обьем работы. Диссертация состоят из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Она излоаена на 142 страницах, включая 31 рисунок и список литературы из 85 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕШШИЕ РАБОТЫ

Введение.содержит обоснование актуальности теш исследования, основанное, с одной стороны, на разнообразном применении ультразвука, в частности поверхностных акустических волн, в современной науке и технике, а, с другой стороны, использованием для возбуждения и приема ультразвука современного бесконтактного электроиагнитяо-акустичеекого метода. Рассмотрение класса ферромагнитиков позволяет «хватить большую область т-териалоь, используемых в научных исследованиях н в разных отраслях промышленности. Сформулированы цель" исследований, науч-' пая новизна к основные результаты, выносише на защиту.

Первая глава диссертации является обзором литература и 'состоит йз трех частей, в первой части дана классификация поверхностных акустических волн, Со&реыенная трактовка термина "поэерхностке волны" позволяет отнести к поверхностным волнам . помимо классической волны Радея, также волны Стоунлн, Лява,.а также волны в пластине - волны Лэмба и, волны горизонтальной поляризаций. Применительно к ЭМА. преобразований в твердах телах, с точки зрения использования методики в.науке а технике, интерес представляют прежде всего волны"Рэлея и Дамба, .как волны вертикальной поляризации, и 8Н-волны и волны Лява, как волны горизонтальной поляризации. Эдата типами ПАВ ограничиваются рашш данной диссертации.

Вторая часть главы посвящена обзору работ по изучению явления ЭМА преобразования акустических волн в твердых телах. Показано, что развитие метода шло по двум параллельньаз направлениям; применительно к неразрушавде^ контролю и исследования чисто физического характера. Приведена современная терминология по ЭМА преобразованию,приьятая большинством исследователей.

В первых теоретических работах по исследованию ЭМА преобразования исследователи абстрагировались от преобразователя и считали, что на поверхность металла падает плоская безграничная электромагнитная полна. Такая модель срабатывала мл нефер-ромагнмтних металлах, но попытки описать явление в ферромагнетиках натолкнулись на несоответствие расчетов экспериментальным результатам. Устранение этих противоречий привело к гармоническим моделям преобразователей, когда поле реального преобразователя заменяется бесконечным спектром гармонии, изменявшихся по амплитуде вдоль границы раздела сред. С помощью этого метода можно расчитать поле модельных преобразователей, достаточно близких к реальным.

БМА преобразование, то есть преобразование энергии электромагнитного поля индуктивной катушки о энергий упругих колебании в металле, происходит в тонком приповерхностном слое металла. В общем случае механизмов преобразования достаточно много. В ранних работах по иеферромагнитвым металлам авторы рассматривали один вихретоковый механизм, достаточно ясно и просто описываемый на практике. 3 дальнейшем было выявлено, что а ферромагнетиках помимо зкхретокового существенную роль играют тагсхе магнитный механизм, а при наличии мапштостркк-ции - еще и магнитострккцшшый механизм. Эти три механизма яздяатся доминирующими в преобразовании.

С учетом этих механизмов рядом авгороз было решено неоднородное уравнение упругости, определяющее формирование обь-еыню. золя в твердом теле. Смещения, найденные в результате решения, является реие.чяем задачи прямого ША преобразования.

Задача обратного ЗМА преобразован;^, которая сводится к определен® кагкиткоП составлявшей создаваемой упругой золкой о воздухе над образце!',, такав рггенэ ¿тими авторами.

Экспериментальная тсх;ппга н методики скснерлжктов в вастоетро время достаточно раззиты для того, чтобы получать результаты, лоодолявято составлять пакяечэпгл по тэоретйчес-кии выкладкам. -

Третья '-:.чст;> сбпорл иоспящека ЭЧА пееобраёопзшк ПАВ. Здес. рддоа азтороз отапается определимая специфика, зес?аз- ■ ля')'.'!дя рвссютпздэд'Ь о-Д яреобразосАйие г.того типа золи отдельно. ••'•летел достатс-хо полная теория и эксперздеиг по дШ

преобразованию ПАВ в кеферроыагшп'кых металлах.

По ЭМА преобразованию ПАВ в ферромагнетиках основные работы представлены ленинградской школой ученых. Так в работах Ильина И.В. [1,2 3 исследовано преобразование волн Рэлея, определена полная система линеаризованных уравнений, дана методика и указан критерий прибишеннсго евенка задачи, получены аналитические выражения, .описывавшие механизмы ЭМА преобразования. К недосгдткам работы нукко отнести то, что автор не довел свои вычисления до ыатер;гчльных параметров среды, измеряемых на прах-тике. В экспериментальном плане это работа также не доведена до конца: из-за ыаяости подмапшчиваащих полей не выяснена роль токового механизма, действующего а сильных полях, нет экспериментов на разных частотах.

Волны .горизонтальной поляризации в пластине нссл&дуатся в работах Харитонова A.B. [3,41 Показано, что единственным механизмом, .форшрувя,™ эти волны является магкктострикционкый, так как другие механизмы не даст элективных сдвиговых смешений горизонтальной поляризации. Получены выражения для оценки эффективности возбуждения и приема этих волн. К согаления здесь таете параметры преобразования рассмотрены в общем виде что затрудняет использование материала. Кроме зтого предполокеняе о линейной связи между диагональными и иедиагональньшк компонеиташ тензора магштоупругих постоянных противоречат экспериментальным данным. В работе отсутствует экспершентальша материал, подтвервдатарй полученные закономерности по QUA преобразований,

В обзоре отмечается слабое применение ЭМА преобразования ПАВ на практике, не.т разработанных пркбороз, кспользувщих ятот- метод.

В результате проведенного анализа литературных источников сделаны обсбщащие выводы, подтвердившие цель диссертации.

Во второй главе диссертации проведены аналитические исследования ЗЫА преобразования ПАВ в ферромагнетиках.

При постановке задачи рассматривается модель произвольной формы преобразователя с переменным током, находящегося над поверхностью ферромагнитного тела. Приводятся уравнения Максвелла, описывающие электромагнитное поле в воздухе, создаваемое током преобразователя. Электромагнитное поле в металле описывается системой уравнений Максьелла для ферромагнетиков. Поляри-

зация ферромагнитного тела постоянным магвитныч полей описывается статическими магнитными параметрами.

Указывается, что взаимодействие постоянного и переменного : полей приводит к возникновению в скин-слое металла см, воздействующих на юшрообьемы вещества. Исходные уравнения для трг:: основных механизмов: вихретскового, магнитного н ыагнитострик-цпонного - записываются такте как в известных работах Г 1,53 . Далее записываются граничные условия для электромагнитного поля и упругой подсистемы. Аналогичная система уравнений и граничных условий записывается для обратного ЭМА преобразования. Для упрощения расчетов принимаются некоторые ограничения. Так считаем величину постоянного поляризующего поля больше вел чины переменного высокочастотного поля H*>h , а также длину упругой волны считаем больше глубины скин-слоя Л > 8 , что ограничивает частотный диапазон примерно 100 МГц.

Далее решается задача об ЭМА- преобразован;::: волн с горизонтальной поляризацией вектора смещений. Рассматривается упрощенная двумерная модель явления - система бесконечно тонких лепт с током над поверхность» плоского образца. Поверхность образца .лежит в плоскости X-Y, ленты и поляризующее поле направлены вдоль оси Y. Первый этап расчета прямого ШК преобразования заключается с наховдении ноля,, создаваемого источником у поверхности образца. Потом находится электромагнитное поле з металле. Далее решение проводится раздельно для SK-лоли в пластине и волн -Лява.

При решении задачи об УМА преобразовании SH-волн рассматривается случай свободной пластины толщиной 2d. Решается основное уравнение упругости для сжщрлши U (U„ , Оч , Ue ) в присутствии внешней еынуядающей сипи f (Г., ,¡\ )

С\ frxid da- ti - С?rot roí й - = X/0 (O

где p - плотность vuTí-рлала, С, ,Ct ~ скорости продольных и сдвиговых обьемяых соля в метал.те.

Репениен -этого уравнения будут волны гяппых типов, однако рассматриваем только решение для-Sil-волны, поднезой вектор которой направлен вдоль границы поверхности (ось X). Т"яая во ляп будет нигть проекция сдецеяю ¡J«r ¿ С. U; ,i)> = 0.

Найденное в общем виде с покощь» у;,;:?:е-преобразогания рема-¡:ne уточнялся применением гртаииг/ч уолох- П: условия равенства

пограничных, напряжений поверхностным силам. Далее вычисляются поверхностные и обьенные силы иагнитострнкционной природы, определяете 'формирование волн горизонталыюцй поляризации, и после обратного Фурье-преобразования имеем для амплитуды смешений в БН-эолне на поверхности пластид.

' ¿г^с вк г

Ни 'т

(2)

где т = ы _ ^ ? ооб

_ 4Я-10 Гн/м, у1? шгнитная проницаемость, (О - циклическая частота, ; ¿> - электропроводность, 2с£ - толщина пласта л, . - волновой вектор ( <?£- , - скорость волны), I - Т^Г, Н**- Фурье-трансформанта функция ис- ■ •гочника.(зависит от конструкции катушки), Л - коэффициент ыагнитострикцип, Но- поляризующее поле.

Функция смещений (2) является решением задачи прямого ¿Ж преобразования..При решении задачи обратного ЗШ преобразования тккже будем-учитывать'лишь магшгоупругий механизм ЭМА п?зоб?#гования.' Решив задачу в общем .виде, уточняем'ее с. помощью граничных условий, определяющих•непрерывность•магнитного ноля на- границе двух сред. Окончательно получаем для амплитуда двойного ЭМА преобразования значение некоторой э.д.с.', наводимой з элементарной катушке •

г.- т.С.ю* ( УЧУ ■_.

£ = Пои Сскт-Ч зН Т)г с ^

где р - плотность материала, £'0 - расстояние от приемной катушки до поверхности образца.

В случае волн а рассматриваем модель.двухслойного образца: тонкая ферромагнитная пленка на поверхности толстой' подложи. Общее решение в зтом случае аналогично решению-для БН-волн, однако граничные условия дополняются условием склейки сястслы "плен--а-подлоака". Решая систему уравнений-получаем для амплитуда смещений в волне Лява на поверхности образца

гр = L>'*к^^d^ соб!

- il -

Индексы 1,2 относятся к слою я подлояяе, соответственно; -модуль сдвига материала.

Аналогично репгается задача об обратном ЗМА преобразовании волн Лява. Окончательно получаем для э.д.с. в приемной катугаге, наводимой поверхностной волной з поисутсвип поляризующего поля

6 2 -ло Ш , &

J^z ^Мо// Kfdz *

/ , ч (i-chr-*-* sh?)(chr- KThV) i if) 3 ---_____-

Of- K& Shr chT

¿¡a - волновой вектор волны Лява.

Для волн вертикальной поляризации отметин известные факты, что эта волны возбуждаются при двух ориентациях поляризующего поля - тангенциальной и нормальной, по трем механизмам ЗМА преобразования - вихретокоБому, магнитному и магнитострикциониому.

Эыеод формул для ЗМА преобразования волн вертикальной по-дярнэация аналогичен выводу в известных работах П ,21 и г? данной работе не приводится. Упрощенные формулы для тангенциального полягазуккего поля выглядят так: для мапгетосгрикционного механизма

° ~ Я 1 ThJ дяя магнитного и вкхретокозого механизмов £нН + £&r ~ (j**Ho)*

Таким образом а ражая одно» модели, используя единую методику расчета, удалось получить конечные шрахгагая, описыва-ЕЕШе ЗМА преобразована волн вертикальной и горизонтальной поляризаций. .

Трэтья глава гтосв-тде:;а экепериментальягы исследованиям SMA преобразования ПАВ а ферромагнетиках. Эксперименты проводились иа нмиульспой установке. В стационарном элзктронагните нсследу-' еные образцы нытагнигацюяясъ до -¡углол величины подмагничиваэ-регулируемая полем. На поверхность обрате» устанавливались ОМА пресбрэзоватс-лл (катушки), г.мпслнегшь'е в виде иеандрэ. В качества генератора а праакяка ультразвука кспояьзоеаяся серий-1ыЧ д-?фс-ктсс?оя ЯУХ-в8 с екззшяг цей-т»^ яоррегщгя. $яя итмгрз-

ИПЛ ¿! 'I'.V.'jY/.? кржктле 2ЮУД%С08 ЯСГгаЬ-ЗСГ-Э.ЛСЯ электрона? О Ли .,

Лля зазяшйогэ ::ояя 2 обраэту? ;!?аа.тьзогалея фгррозс-и-

д^-аый измеритель внутреннего поля. Полевые характеристики 8МА преобразования записывались на самописец.

Как известно, иеандросые катушки, используемые для возбуждения - приема поверхностных золи на разных частотах иыеют разный период решетки. Однако для оценки эффективности ЗМЛ преобразования на разных частотах необходима сопоставимость результатов. Для этого были проведена работа по оптимизации преобразователей и по учету факторов; ток возбуждения, количество витков, количеств» токовых элементов, передаточные характеристики трактов. Проведенные исследования позволили сопоставлять результаты из?,'---рений на разных частотах.

Для сравнительного анализа ЗМА преобразования поверхностных волн разных типов была разработана единая методика экспериментов.Она включеат следующее.

- Возбуждение и прием поверхностных волн, которые проводились путем выбора ориентации меандровьос катушек относительно поляризующего поля.

Идентификация войн. Использовались два основных метода идентификации. Метод демпфирования основан на том, что поверхностные волны, в отлични от обьемных чувствительны к состояли» поверхности. Причем эта 'чувствительность больше для волн вертикальной поляризации и меньше для волн,горизонтальной пояяриза-ц:?,;. Был разработан метод демпфирования ПАВ маслянными каплями, дающий обьективные результаты. Вторым методом идентификации является идентификация по скорости. Для разделения' по скорости волн Рзлея, БН-воли и волн Лява неоходина методика измерения скорости ПАВ с точностью 1 - 2 Такая методика была разработана для образцов в.форма прямоугольного параллелепипеда. Она основана на отстройке при измерениях отзондирующего импульса и пояоненил датчика ка поверхности образца.

- Снятие полевых характеристик Щк преобразования ЛАВ проводилось на установке 8 стационарном электромагните.

- Частотные исследования проводились с помоги преобразователей на частотах 1.0 НГц, 1.5 ИПд, 3.0 МГц, Полученные характеристики пересчктывались в сопоставимые характеристики с учетом указанных факторов.

Изучение процессов формирования волн необходимо для построения оптимальных датчиков ЭМА преобразования для решения

практических 'оадач.

По разработанной методике исследовалось ОМА преобразование полн вертикальной поляризации - волны Рэлея и Лэмба, в Армко-железе. Полеаые характеристики ЭЧА преобразования этих воли носят одинаковый характер. Изучался вопрос,при каких толщинах образцов возбуждаются полны Рэлея, а при каких - Ломба, Оказалось, что при толщинах более 4 Л (где Л - длина возбуждаемой волны) возбуждаются волны Рэлея, амплитуда и вид которых слабо зависят от дальнейшего увеличения толщины образца. При толщинах менее Я возбуждаются моды волн Лпмба. Мемду ■?■} и Л лежит переходная область, где трудно установить тип волны, эту область для исследования и а приложениях лучке не использовать.

Эксперименты с БН-волпвюи проводились на пластинах Армко-железа разной толщины. Для изучения воли Ляпа были подготовлены образцы, представляющие собой алюминиевую подложку, на которую был гальванически осшд<"; никель. Оказалось, что волны горизонтальной поляризации наиболее эффективно возбуждаются при перекрестном расположении переменного высокочастотного и постоянного поляризующего полей.

Получение зависимостей эффективности нреобраоотния от угла нейду переменным и постоянным полями проводилось на образцах разной толщины из Армко-железа, кобальта, перминдюра, что позволило охватить различные случаи возбуждения волн.

Четвертая глава посвящена анализу полученных результатов. Для анализа теоретических формул, полученных во второй главе, с помощью ЭВМ были построены графики зависимостей эффекти "поста ЭМА преобразования ПАВ от поляризующего поля.

Сначала рассматривается ЭЙА преобразование волн Рэлея в тангенциальном поляризующем поле. На рис.1 приведены экспериментальные зависимости э.д.с. принятого сигнала В от величины поляризующего поля О^/о^и» при трех частотах в Армко-гге-лезе. Экспериментальные кривые хорошо совпадают с расчетными. Основную роль в слабых и средник полях, как показывают расчет и эксперимент, играет механизм ыагнитострккции, дающий два максимума, обусловленные подъемом и спадом в этих областях полевод кривой коэффициента к'.агнитострикции Армко-*елеза. В этих точках параметр ^Я/цц^ определяющий ОМА преобразование волн Рэлея, будет максимальным. В знаменателе формулы стоит еще параметр

магнитной проницаемости ^ , И-з-за этого фактора первый максиму«! полевой кривой ЭМА преобразования ослаблен по сравнению со вторым. В больших полях, где вклад магнитострикционного механизма уменьшается до нуля, на первый план выходит вихретоковый механизм, имеющий квадратичную зависимость от поля. В нормальном поляризующем поле (рис.2) в средних полях доминирующим является магнитный механизм преобразования, который в больших полях также уступает место шхретоковому механизму.

Частотны* зависимости эффективности ЭМА преобразования волн Рэлея определяются коэффициентом, (/к)г~ ид . Однако, указанный рост ЗМА сигнала с частотой в ¡эксперименте выполняется лишь качественно, на самом дела зависимость более полегая. Это объясняется наличием воздушного зазора между катушкой и поверхность» ферромагнетика, затухание в котором зависит от частоту (частот в множителе экспоненты).

Сравнение эффективности Э5АА преобразования волн Рол ел в тангенциальном и нормальном поляризующих полях говорит в пользу тангенциального варианта ориентации. Надо заметить, что в случае ША преобразования обьемных волн большую эффективность дает нормальное намагничивание образца. Здесь же отметим, что относительно других механизмов в случае объемных волн вклад вих-ретокового механизма■больше, чем то же отношение для волн Рэлея. Это определяется различием величин проекций волновых векторов на границ)' раздела сред в этих волнах.

Рассмотрение полевой кривой эффективности ЭМА преобразования волн с горизонтальной поляризацией вектора смещений показывает, что она отличается от случая вопи вертикальной поляризации. Анализируя теоретические и экспериментальные графики (рис.3) половых зависимостей ЭМА преобразования ЗН-волн, становится ясно, что здесь главную роль играет фактор отношения ыаг-китострикцин к пол» /Не . Такая зависимость появляется в случае скрещенных переменного и поляризующего полей. Теория такно предсказывает кривую с двумя максимумами, но смещенным;: относительно рэлеевских максимумов в область больших полей. Точно такзе первый максимум должен быть меньше второго из -за магнитной проницаемости- в знаменателе. Эксперимент же дает более- сильное уменьшение первого максимума г.о сравнения с расчетным. Это говори!' о том, что принятые неын ограничения не везде

- Í5 -

выполняются. Б сравнений с рэлеевской полной (не рис.3 ока изображена пунктиром) для SH-золни хорошо видно относительное смещение максимумов кривых.

Для волн Лява, з слое никеля яа алюминиевой подлоике, I. -левая кривая. ЭМА преобразования в сравнения с характеристикой для волны Рэлея (показана пунктиром) представлена на ркс.4. Полевая зависимость магнитострищии'никеля носит монотонный вид. Поэтому полевая кривая ОМА преобразования волн Лява имеет единственный экстремум, тазае'смещенный относительно экстремума полевой зависимости ЭМАП рэлеевской волны в область больших

полон,

Здесь ответим, что с помощью полевой завмскмостк эффективности ЭМА преобразования волн с'горизонтальной''поляризацией вектора'смещений открывается путь'к бесконтактной оценке магни-тоетрикцин ферромагнитных материалов,,что'невозможно достаточно точно сделать с помощь» полевой кривей ЗМА преобразования волн Рэлея.. В диссертации приведены обоснование ш методика, определения магнитосгрнщш этим методом.

Частотные исследования 8МА преобразования волн горизонтальной поляризации подтверждают положение о росте'эффективности- преобразования .'с частотой. . .

При' рассмотрении зависимости эффективности ЗМА преобразования SH-волй от толщины заметим,' что для прямого ЗМА преобразования -смещения' ¿/-»о пря ' о?-»'оо,. что соответствует известному факту, что SH-воляы з■полупространстве не возбуждается. В толкйх пластинах смещения"будут'зависеть от толщины, причем степень', этой зазксимости будет определяться магнитным» свойствами.. Для обратного преобразования завйслшсть от'толщины иная: для больших толщ5ш индукция та поверхности металла на зависит от толщины,. а для малых толщин она прямо пропорциональна d. Такш образом полкой обратимости яоления прямого м обратного ЭМА преобразования не?. Теория.двойного ЗМА преобразования предсказывает крнвуо с зкетремуком з области уальве толщин, что к подтверждается экспериментом.

При рассмотрении зависимости эффективности ЗМА преобразования золя tos ог толщины пленки заметим, что эта зависимость в значительной мере определяется частотой п магнитной проницаемостью материала пленки. Для реальных пленок теория оредсказы-

вает однозначную прямо пропорциональную зависимость эффективности преобразована от толщины пленки. Эксперимент показывает при малых толцюшх прямо пропорциональную зависимость, но с ростом толщины пленки: наблюдается более резко выраженная параболич-ность, чей это предсказывается теорией. Очевидно не всегда выполняются налагаемые теорией ограничения. Зависимость эффективности ЭМА преобразования, волн.Лява м Зй-волн от толщины пленки й пластины можно использовать для целей толщииокетркя.

Исследование процессов формирования поверхностных волн ЭМА способом выявило зависимость процессов формирования волн Рслея от частоты, а для БН-воли - от соотношения частоты н толщины пластины. Выработаны практические рекомендации Для разработчиков приборов. Так для волн Рэяея при частоте 3;0ШТц кет смысла сближать возбувдэдций-И приемный преобразователи на расстояние блике 35 мы (наблвдается резкое''.уменьшение полезного сигнала).

Изучение вопроса о зависимости эффективности преобразования от угла ыежду поляризующие к пер-меннын полями в поликрис-тзллических ферромагнетиках показало, что для Ш-волн оптимальным является угол 90° .что подтверждается.экспериментами. •

Пятая глава посвящена приложения ЭМА преобразования ПАВ в ферромагнетиках. В предыдущем материале показано,' что ЭШ. преобразование ПАВ является 'елоанын физическим явлением, в котором задействованы различные свойства испытываемых материалов. Это электропроводность., магнитные и магкитоупругие.свойства, а так-зке чистая упругость материалов. Стсяда возникают предпосылки использования метода для получения информации о свойствах материалов и явлений-в них.

• Основными инфорнациоными параметрами метода; ЭМА преобразования ПАВ являются -- амплитуда принятого сигнала, которая определяет эффективность преобразования в данном материале, и скорость распространения волнового импульса от зондирующего

»греобразоаателя гг приемному, *

Для проверки мзтодики определения маггштострикции материалов с помощь» ЭиА преобразования ВН-волн были сняты полевые характеристики 5?,'А преобразования для четырех материалов: Арм-ко-железо, никель, кобальт,'перминдор. По единой методике эти кривые пересчитыиаянсь з кривые зависимости коэффициента ыагни-

тострикцяи материала от поля. Получешгиб значения нормирование относительно магнитострикцаи железа и сравнивались с литературными даниьмк. Оцененная таким образом точность методики составила 20 %. что позволяет рекомендовать метод для экспресс г,-а-дяза !лагн;:.тострикции материалов.

3 качестве примера пгрилопения к физическим исследованиям по методике ЗМА преобразования БН-волн изучался фазовый магнитный переход в редкоземельных металлах (тербий). Пластинка тер-бзя помещалась в специальную-опраоку» где на иен фиксировался ыеандровый ЭМД преобразователь. Вся система, с помощью тадаого азота, охлаждалась до температур порядка 100йК, после чего ало медленное естественное нагревание образца, в процессе которого фиксировались параметры ЭЫА сигнала, В момент фазового перехода четко фиксировалось аномальное увеличение эффективности ЗМА сигнала, характерное для фазовых переходов. Был зафиксирован факт смещения точки перехода в область низких температур с увеличением магнитного поля. Эти эксперименты характеризуют ЗМА метод как-весьма'перспективный для физических исследований.

Для целей неразрушающего контроля а промыпленностн был разработан -калогабараткый ША преобразователь ПАВ: две меандровые катушки, помещенные.в зазоры П-образных электромагнитов, зафиксированы п едином корпусе параллельно друг другу. Одна катушка возбуждающая, другая - приемная. Поверхностная волна, возбуждаемая под первым преобразователем, распространяется вдоль поверхности образца, собирая по ходу информацию о его свойствах, и затеи регистрируется пркемннм преобразователе.«. База такого преобразователя фиксирована,-:я-по временя распространения волнового импульса легко определить скорость волны. Вторым информационным параметром яляется амплитуда. Методика испытана на ряде задач неразрушающего контроля.

- Контроль'фязико-ыехавическюс.свойств приповерхностного слоя. Контроль поверхностной термообработки стали 38ХГСА дал коэффициент корреляций кевду ашлитудой ЭМА сигнала и твердостью - 0,82.

- Контроль приложенных напряжений проводился на образцах ста.та марки Ст25 с помощь» разрывной кашины Р5. В упругой области (до 12 кг/ым4) было зафиксировано изменение амплитуды ЭМА сигнала до 50 % .

~ Обнкруяение поверхностных '¿рещин. Исследования показали, что при имеющейся точности измерений ыохно обнаружить тращшы длиной 10 им и глубиной более 1ш,

- Контроль анизотропии материалов показал, для тскстуро-ватшх листовых материалов амплитуда ЗМА сигнала может меняться по. направлениям в 3 раза, а. скорость - в 2 раза. Предложен новой вариант ЭМА преобразователя ПАВ для контроля анизотропии -круговой ОМА преобразователь поверхности волн.

По итогом физических исследований и практических задач бил разработан прибор ЗКП-1, реализующий ОМА преобразование ПАВ. Основные узлы прибора - генератор и усилитель выполнены по современный схемам на полупроводниковых приборах. Иодмагничивание в приборе импульсное, низкой частоты. При этом ток в импульсе можно регулировать, подстраивая величину поля под оптимальную для Э!:!А преобразования. Особенностью намагничивания является то, что импульсы намагничиванн.ч, а значит и ЗМЛ преобразование , вырабатываются в ыомент перехода напряжения сети через нуль, чтс позволяет отстроиться от помех мощных тиристотиых потребителей. Схема обработки информации позволяет автоматически измерять амплитуду ЭМА сигнала и скорость .распространена! волны. Испытания показали, что погрешность измерения амплитуда не превышает 5 %, а скорости - 2 % ,

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Итогом работы явились следующие научные и практические результаты.

!. Теоретически реаена задача об УМА преобразовании волн с горизонтальной поляризацией вектора смешений - БН-волн и волн Лява. Показано, что полевая характеристика этих волн определяется эффектом Вкдеыана и, следовательно, отношением ко-С'Ь;»-гр'.онти магкитострикции к полю, в то время как для волн вертикальной поляризации (определяющим является; аффект Джоуля)-прокзьодной коэффициента ыагнктострикцки по полю. Предложено использозахь этот факт для бесконтактной оценкк кагнитострик-ц*«ш материалов.

2. Установлено, что эффективность 5ЫА преобразования по-зьрхностных волн вертикальной и горизонтальной поляризации

прямо пропорциональна частого возбуждения. '

3. Получены экспериментальные полевые и частотные характеристики ША преобразования основных типов ПАВ, подтвердившие теоретические расчеты полевых я частотных характеристик.

' 4. Показано, что меядУ прямым и обратным ЭМА_преобразованием нет полной обратимости. Зависимость зффектяЕНОсти прямого ОМА преобразования ЗН-волн от'толщины пластины и волн Лява от толщмнц пленки отличается от завискиссти для обратного преобразования. -

5. Установлено, что характеристики ЭКА преобразования ПАВ отлнчаится от аналогична характеристик для обьекккх ■ вола: по соотновешш з^ективкостк преобразования а нормальной- и тангенциальном полях;,по относительному вкладу в преобразование различных механизмов;- по частотнш зависимостям.

. ,6. Зависимость'эффективноетя ЗМА преобразования - ЗН-волн от толщины: пластины косят экстремальный характер м- ее мозко использовать для контроля тоящккы.проката, а однозначную зависимость , эффективное!?!- волн Лява. от"- толщины -пленка ; - для тоя-щннсметрня токкйх пяекок п покрытий.

• 7. Разработана нетодика'приаеиеаая.ЗйА преобразования ПАВ аа практикеОпределена основныеинформативные параметра метода - ашлитуда'принятого'сшшда-я скорость распространения золил. --.■■-■■

8. Показано, что при проектирований первичных преобразователей необходимо учитывать процесса формирования волны, зависящие з об%еы случае от частоты возбуждения я толщины йспы-тывашх образцов. -

9." На примерах показана возможность использования метода для решения задач неразруцащего контроля'{контроль поверхностной термообработки, анизотропии, прилонеиных напряжений» дефектоскопия поверхности) я для физического.эксперимента (исследо-зание фазовых переходов).

10. Разработан прибор ЭКЛ-1„ реализующий методику ЭШ преобразования поверхностных золн иа практике.

Основное содержание диссертации отражено а работах.

1. Ильясов P.C., Бабкин С.Э., Комаров В.А. О механизмах ОМА

преобразования волн Рэлея в ферромагнетиках при разных частотах - Дефектоскопия, Î983, N10, с.7?~82.

2. Бабкш С.Э,, Ильясов P.C.', Комаров В.А., Рубцов В.И. Устройство для бесконтактного возбуждения и приема волн Рэлея в ферромагнетиках. - Дефектоскопия, 1903, К8, с.93-94,

3. Комарон В.А., Бабкин С.З., Ильясов P.C. ЗМА преобразование волн горизонтальной поляризации в ыагнитоупругих материалах." Дефектоскопия, 1993, !)2, с. 11-17.

4. Бабкин С.Э., Захаров B;Ä. Устройство для измерения магнитного'поля. Авт.свид. СССР 1163811.

5. Ильясов P.C., Бабкин С.3,, Комаров В.А, Способ измере-ияя толщина покатай. Авт.сеид. 1730538.

8. Бабкин'С.Э., Шьясов P.C., Кенаров S.A., Рубцов В.М. Электромагнитно-акустнческйй преобразователь поверхностных волн. Авт.свад. 1739280,

7. Бабкин С.9., Йльясоз P.C. ЗМАП бодц Рзлея в ферромагнетиках в района точки Кври.- В кн.:. Физические-методы неразруша-ющего контроля. Тезясы 10 Уральской НТК» Ижевск, 1939, с.32.

8. Ильясов P.C., Бабкин С.Э. Влияниеоркентацки намагничн-ьа-оцего поля ка ЗМА преобразование волн Рэ'лея,- В кн.: Совре-UsimiiQ usToj&i керазруиакщего контроля, Тезасы 8 Уральской НТК, Челябинск ,■• Î688;. с. 38.

9. Ильясов-P.C., Бабкин С.Э. Электромагкитко-акустяческкй цетод измерения тоданы ¿ферромагнитных покрытий,- В кя.: Контроль толщины покрытий. Тезисы ВШК-, Каезск,., 1990, с.20-21.

10. Комаров В.А., Бабкин С.Э. Генерация нулевых мод горк- ; зонтально-яоляркзоБаншх волн в кагнитоупругкх пластинах.- В кн.: Неразруиающне физические-методн к чгроля. Тезисы 12 ВНТК, Саердловск, 19955, сЛ4Г)-148. :

Цитируемая литература.

1. Ильин Й.В. Полная система уравнений движения ферромагнетика а электромагнитном поле,- Изо. ЖГИ, 1977, вып.201, с,23-23.

2. Ильин И.В. Исследование элекгроыагллтно-акустического мгтода возбуждения и приема волн Рэлея в ферромагнетиках. Дю. ... канд. фй'з.-мат. наук. Л.: ЛЭ1И, 1979.

3. Харитонов A.B. Возбуждённа, ирнем и рассеяние ультразвуковых нормальных волн а плестмнах,- Дне. ... док. фаз,-кат.' каук. Я.: ШИ, 1883, S8ic,

4. -Харитонов A.B.' Развитей н проблема теории нормальных воли з ультразвуковой дефектоскопия,- Дефектоскопия, 1870, Н-7, с.59-87,-

5» -Комаров В.А. Квазкстационаряов эяэетромагиитно-йкус-ткчзскоэ преобразование в металлах.- Сзердяовск: ЭТЩ АН СССР, 1888, 835с „

Волны Раяея

Тангенциальное Нормальное пола

Подписано в печать 20.07.93-Тира* 100 экз. Заказ № 1531. Объединение " Полиграфия