МАГНИТОСТРИКЦИОННАЯ ЛИНИЯ ЗАДЕРЖКИ Советский патент 1995 года по МПК H03H9/30 H03H9/36 H03H9/135 

Изобретение относится к области радиоэлектроники, а точнее к акустоэлектронике, и может найти применение в составе различных акустоэлектронных устройств обработки сигналов (магнитострикционных линиях задержки, фильтрах, конвольверах и др.), в радиолокации, измерительной технике и технике связи.

Известны магнитострикционные линии задержки, состоящие из звукопровода, выполненного в виде ленты, проволоки или стержня из магнитострикционного материала, двух магнитострикционных преобразователей объемных акустических волн, расположенных на противоположных концах звукопровода и представляющих собой либо катушку индуктивности, охватывающую звукопровод и имеющую длину намотки, пропорциональную половине длины акустической волны, возбуждаемой в звукопроводе, либо резонансную магнитострикционную пластину или стержень с возбуждающей обмоткой или возбуждающим резонатором, в зависимости от используемой частоты возбуждения.

Наиболее близким по технической сущности решением к изобретению, которое может быть выбрано в качестве прототипа, является магнитострикционная линия задержки, содержащая звукопровод, выполненный из магнитострикционного материала, и входной и выходной преобразователи объемных акустических волн.

Каждый преобразователь объемных акустических волн содержит магнитную систему и систему проводников, нанесенных на соответствующую торцевую грань магнитострикционного звукопровода и выполненных в виде двух групп параллельных токовых полосков, причем полоски одной группы, имеющие ток одного направления, соединены последовательно с полосками другой группы, с противоположным направлением тока. Свободный конец последнего из соединенных токовых полосков одной группы и свободный конец последнего из соединенных полосков другой группы являются выводами преобразователя.

Магнитная система представляет собой две магнитопроводящие пластины, расположенные над каждой группой токовых полосков, и постоянный магнит, размещенный своими противоположными полюсами над соответствующими магнитопроводящими пластинами.

Недостатком такой линии задержки является сравнительно невысокий коэффициент передачи. Это связано с тем, что внешние перемычки, соединяющие две группы токовых полосков, не участвуют в процессе преобразования электрической энергии в акустическую, в результате чего излучающая поверхность от двух групп токовых полосков мала по сравнению с сечением звукопровода. Кроме того, токовые полоски только с одной стороны примыкают к магнитострикционному материалу, так как магнитопроводящая пластина, замыкающая токовые полоски с другой стороны, выполнена из немагнитострикционного материала, что, обеспечивая однонаправленность излучения, снижает эффективный коэффициент связи и тем самым понижает коэффициент передачи линии задержки.

Целью изобретения является повышение коэффициент передачи.

Достижение цели обеспечивает магнитострикционная линия задержки, содержащая магнитострикционный звукопровод и входной и выходной преобразователи объемных акустических волн, каждый из которых включает систему проводников и магнитную систему, содержащую магнитопроводящую пластину. Одним из отличительных признаков линии задержки является выполнение системы проводников, примыкающей к торцевой грани звукопровода, в виде спирали, каждый виток которой представляет собой квадрат. Фактически такая спираль представляет собой плоскую спиралевидную катушку, каждый виток которой представляет собой квадрат. Свободные концы спиралевидной катушки являются выводами преобразователя.

Существенным отличием предлагаемой конструкции линии задержки от известной является выполнение магнитной системы, которая в данном случае представляет собой радиально намагниченную рамку, помещенную в углубление, форма которого совпадает с формой магнита, выполненное на нерабочей стороне магнитопроводящей пластины, изготовленной из магнитострикционного материала, и расположенную симметрично по отношению к токовым полоскам, причем наружные и внутренние стороны рамки имеют противоположную полярность, а оси симметрии катушки, магнита, пластины и углубления совпадают.

Толщина магнита и расстояние между разноименными полюсами выбирается из соотношений
b < d ≅ 2b
0,5 Δ < h ≅ 5Δ где h толщина постоянного магнита;
d расстояние между разноименными полюсами магнита;
b расстояние между наружным и внутренним проводниками спирали;
Δ расстояние от магнита до рабочей поверхности звукопровода.

На фиг.1 изображен общий вид описываемого устройства; на фиг.2 показано размещение спиральной катушки и магнитной системы на магнитострикционной пластине; на фиг.3 и 4 представлены магнитная система, а также распределение силовых линий магнитного поля в зоне преобразования.

Магнитострикционная линия задержки (фиг.1) состоит из магнитострикционного звукопровода 1 и входного и выходного преобразователей объемных акустических волн, включающих магнитострикционную пластину 2, систему проводников в форме спирали 3, свободные концы 4 и 5 которой являются выводами преобразователя, и магнитную систему 6 (это можно видеть и на фиг.2).

Магнитная система 6 представляет собой рамку, наружная и внутренняя стороны которой имеют противоположную полярность. Рамка, выполненная из сплавов редкоземельных металлов и кобальта типа SmCO₅ помещена в углубление, по форме совпадающее с формой магнита, выполненное на нерабочей стороне магнитострикционной пластины 2. Эти сплавы обладают значительной магнитной энергией, что позволяет миниатюризировать устройство. Расположение магнитных полюсов магнитов и силовых линий данной магнитной системы показано на фиг.3 и 4.

При таком выполнении и размещении магнитов силовые линии магнитного поля в каждом магните замыкаются в зоне преобразования по кратчайшему пути через магнитострикционную пластину перпендикулярно токовым полоскам.

Выполнение системы проводников в виде спирали позволяет всем проводникам участвовать в излучении объемных акустических волн. Это существенно увеличивает излучающую поверхность преобразователя по сравнению с известной конструкцией, в которой часть проводников выполняет вспомогательную роль внешних перемычек.

Кроме того, в предлагаемой конструкции полоски с двух сторон ограничены магнитострикционным материалом. Поэтому за счет магнитострикционного эффекта в присутствии постоянного магнитного поля возбуждаются объемные акустические волны как в пластине, так и в звукопроводе. В этом случае эффективный коэффициент магнитоупругой связи растет, что обеспечивает и дополнительное увеличение коэффициента передачи в линии задержки.

Как известно, для возбуждения акустической волны с помощью системы проводников необходимо присутствие постоянного поля подмагничивания. Создать подмагничивающее поле, оптимальное по величине и направлению для данной формы проводников, позволяет магнитная система в виде радиально намагниченной рамки, наружная и внутренняя стороны которой имеют противоположную полярность. Помещение такой рамки в зоне преобразования на нерабочей стороне магнитострикционной пластины симметрично системе проводников позволяет создать в плоскости магнитострикционной пластины постоянное магнитное поле, перпендикулярное каждому проводнику спиральной катушки, при этом противоположному направлению тока в каждой из двух параллельных групп токовых полосков катушки соответствует и противоположное направление постоянного поля подмагничивания.

Такое взаимное расположение системы проводников и постоянного магнитного поля позволяет получить синфазность излучения акустических сдвиговых волн от четырех групп полосков, составляющих спиральную катушку и поляризацию волны перпендикулярно плоскости пластины.

Размеры магнитной рамки выбираются таким образом, чтобы постоянное магнитное поле в зоне преобразования, расположенной в магнитострикционной пластине между рабочей поверхностью звукопровода и магнитом на расстоянии Δ от последнего, было однородным и имело оптимальную величину. Глубина зоны преобразования Δ определяется величиной максимальной длины волны λ из возбуждаемого данным преобразователем спектра длин волн и для эффективного преобразования должна составлять Δ> λ. Однородное магнитное поле требуемой величины легче получить при малых λ. С ростом λ, а значит и Δ, следует увеличивать толщину магнита h, которая при прочих равных условиях пропорциональна Δ Экспериментально было установлено, что оптимальная величина h определяется соотношением
0,5 Δ < h ≅ 5 Δ. При невыполнении этого соотношения магнитное поле получается либо значительно меньше, либо больше оптимального. Расстояние между разноименными плюсами магнита d для получения однородного поля не должно быть меньше ширины группы токовых полосков d, а с другой стороны не превышать 2b, т.к. увеличение d снижает величину магнитного поля.

Магнитострикционная линия задержки работает следующим образом.

После подачи от генератора радиоимпульсов переменного напряжения на зажимы преобразователей 4 и 5 по токовым полоскам системы проводников течет электрический ток. При этом вокруг каждого полоска индуцируется переменное магнитное поле, в результате в каждой группе полосков возникает периодическая структура знакопеременной намагниченности, которая за счет магнитоупругого эффекта в присутствии постоянного магнитного поля преобразуется в объемную акустическую волну, поляризованную перпендикулярно плоскости пластины.

П р и м е р. Устройство согласно изобретению было реализовано в виде магнитострикционной линии задержки, содержащей звукопровод из магнитострикционного поликристаллического никель-кобальтового феррита длиной 30 мм, сечением 10 х 10 мм и два преобразователя объемных акустических волн. Каждый преобразователь, работающий в диапазоне частот 3-10 МГц, был выполнен с помощью метода фотолитографии на поверхности магнитострикционной поликристаллической пластины из Ni-Co феррита, обращенной к звукопроводу, ширина токовых полосков, зависящая от рабочей частоты преобразователя, составляет 0,15 мм, толщина полосков, определяемая возможностями метода фотолитографии при использовании поликристаллической подложки, составляет 0,003 мм, расстояние между полосками составляет 0,20 мм. Ширина группы проводников, имеющих ток одного направления, равна b 1,9 мм. Поперечный размер магнитострикционной пластины равняется сечению звукопровод 10 х 10 мм. Толщина пластины определялась величиной зоны преобразования, которая определялась максимальной длиной волны. Поскольку максимальная длина волны в Тш-Со феррите в данном частотном диапазоне составляет 0,6 мм расстояние Δ между рабочей поверхностью пластины и магнитом было выбрано равным 1 мм, толщина всей пластины 2 мм. Постоянный магнит из слава SmCo₅ в виде радиально намагниченной рамки размещался в углублении на нерабочей стороне пластины симметрично по отношению к токовым полоскам. Толщина магнита соответственно равнялась 1 мм, расстояние между его разноименными полюсами равнялась d 2,28 мм. Все стороны рамки подвергались радиальному намагничиванию.

В результате в зоне преобразования было получено подмагничивающее поле ≈600 Э.

Такая магнитострикционная линия задержки имела ширину полосы пропускания ≈200% величину коэффициента передачи (вносимого затухания) 25 дБ, что в два раза выше известной.

Изобретение относится к области радиотехнике. Использование: в составе различных акустоэлектронных устройств обработки сигналов (магнитострикционных линиях задержки, фильтрах, конвольверах и др.), в радиолокации, измерительной технике и технике связи. Сущность изобретения: линия задержки содержит звукопровод 1 из магнитострикционного материала и преобразователи объемных акустических волн на торцах звукопровода. Каждый преобразователь содержит систему проводников в виде плоской катушки индуктивности, магнитопроводящую пластину 2 из магнитострикционного материала и магнит в форме рамки, наружная и внутренняя стороны которой имеют противоположную полярность. Приведены соотношения между размерами магнита, расстоянием от магнита до рабочей поверхности звукопровода 1 и расстоянием между наружным и внутренним витками плоской катушки индуктивности. 4 ил.

МАГНИТОСТРИКЦИОННАЯ ЛИНИЯ ЗАДЕРЖКИ, содержащая магнитострикционный звукопровод, входной и выходной преобразователи объемных акустических волн, включающие систему проводников, магнит и магнитопроводящую пластину, при этом система проводников расположена между поверхностью магнитострикционного звукопровода и рабочей поверхностью магнитопроводящей пластины, а входной и выходной преобразователи расположены на соответствующих торцах магнитострикционного звукопровода, отличающаяся тем, что, с целью повышения коэффициента передачи, в ней система проводников выполнена в виде плоской спиральной катушки индуктивности, каждый виток которой представляет собой квадрат, магнит выполнен в виде радиально намагниченной рамки, наружная и внутренняя стороны которой имеют противоположную полярность, магнитопроводящая пластина выполнена из магнитострикционного материала, при этом магнит расположен в углеблении магнитопроводящей пластины, по форме совпадающим с формой магнита, ось симметрии магнита совпадает с осью симметрии катушки и магнитопроводящей пластины, а расстояние от магнита до рабочей поверхности звукопровода Δ и расстояние между разноименными полюсами d магнита выбираются из условий
0,5Δ< h≅ 5Δ ,
b < d ≅ 2b,
где h толщина постоянного магнита, мм;
d расстояние между разноименными полосами магнита, мм;
b расстояние между наружным и внутренним витками спирали, мм;
Δ расстояние от магнита до рабочей поверхности звукопровода.