ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-АКУСТИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ

ЭЛЕКТРОМАГНИТНО-АКУСТИЧЕСКОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ

(ЭМАП) - превращение части энергии эл.-магн. волн на границе проводника в энергию упругих колебаний той же или кратных частот, меньших дебаевской частоты (см. Дебая теория). Характеристиками ЭМАП служат амплитуда возбуждаемого ультразвука и и эффективность преобразования h, определяемая отношением потоков энергий в упругой и эл.-магн. волнах. Обычно h~10^-8- 10^-12, причём наиб. интенсивная генерация ультразвука происходит в присутствии пост. магн. поля Н₀. В случае генерации продольного ультразвука вектор Н₀ направляют вдоль границы проводника (рис. 1, а), а в случае генерации поперечного ультразвука (см. Упругие волны) - по нормали к ней (рис. 1, б). Эл.-магн. поле создаётся катушками индуктивности, расположенными вблизи поверхности (при работе на высоких частотах образец помещают в объёмный резонатор). Преобразователем эл.-магн. и упругой энергий в задачах ЭМАП выступает собственно приповерхностный слой проводника. Формируя разл. конфигурации Н₀. и эл.-магн. полей у поверхности проводника (рис. 2), можно возбуждать в нём не только объёмные упругие волны, распространяющиеся под любым углом к поверхности, но и разл. типы поверхностных акустических волн.

Наиб. широко используются два метода эксперим. исследования ЭМАП. Первый из них заключается в генерации эл.-магн. полем короткого УЗ-импульса, к-рый, отражаясь от противоположных граней образца, создаёт последовательность затухающих эхо-сигналов. Регистрация этих сигналов осуществляется либо той же катушкой индуктивности за счёт эффекта обратного ЭМАП, либо пьезоэлектрическими преобразователями или магнитострш-иионными преобразователями. Второй метод предполагает исследование резонансных особенностей поверхностного импеданса Z при установлении стоячих упругих волн в образцах "правильной" формы - пластинах, стержнях и т. д.

Рис. 1. Схема стандартного расположения источников полей относительно границы металла в случае возбуждения продольного ( а) и поперечного ( б )ультразвука. Волнистыми стрелками обозначены направления распространения упругих волн, двусторонними - колебания частиц в волне, N и S- полюсы постоянного магнита.

Основой теоретич. исследования ЭМАП служит связанная система ур-ний теории упругости и ур-ний Максвелла (в магнетиках она дополняется Ландау - Лифшица уравнением), описывающая возбуждение, взаимодействие и распространение в проводящих средах эл.-магн., акустич. и спиновых колебаний. В нормальном металле плотность силы, возбуждающей акустич. колебания, можно представить в виде суммы индукционного fⁱ, деформационного f ^d и стюарт-толменовского f^S слагаемых, в магнетиках она дополняется силами магнитоупругой природы f^m (см. Магнитострикция).

Рис. 2. Некоторые типы катушек индуктивности (a), распределения переменного тока в скин-слое ( б )и вызываемые индукционным механизмом поля упру гих смещений ( в).

Под действием эл.-магн. волны в металле наводится перем. ток j, сосредоточенный у его поверхности (см. Скин-эффект). Взаимодействие этого тока с постоянным магн. полем приводит к появлению силы

действующей на электроны и передающейся через столкновения решётке. Амплитуда возбуждаемого ультразвука при этом пропорциональна Н₀, напряжённости магн. поля Н эл.-магн. волны и обратно пропорциональна скорости ультразвука, плотности проводника r и частоте; кроме того, она зависит от соотношения глубины скин-слоя и длины упругой волны. Поляризация поперечного ультразвука, возбуждаемого fⁱ, совпадает с направлением Н.

В чистых металлах при низких темп-pax энергию, приобретённую от эл.-магн. волны, электроны передают решётке на расстояниях порядка длины свободного пробега, к-рая может существенно превышать толщину скин-слоя. Прямое воздействие электрич. поля Е эл.-магн. волны на решётку в скин-слое оказывается при этом нескомпенсированным, результатом чего является возникновение силового диполя

где п - концентрация электронов, s₀ - статич. проводимость. Поляризация поперечного ультразвука, возбуждаемого f ^d, совпадает с направлением Е. Деформационная сила, проявляется при нелокальной связи между плотностью наведённого в проводнике тока и Е за счёт пространственной дисперсии проводимости (ss₀). Частным случаем деформационного взаимодействия служит поверхностный механизм, обусловленный диффузным рассеянием электронов на границе проводника. Поле Н₀, локализуя электроны проводимости в пределах ларморовского радиуса, уменьшает эффективность деформационного механизма ЭМАП и изменяет направление поляризации возбуждаемого поперечного ультразвука. Сила Стюарта - Толмена

где т - масса свободного электрона, возникает из-за того, что электроны под действием эл.-магн. волны движутся относительно кристаллич. решётки, к-рая колеблется и представляет тем самым неинерциальную систему.

Эффективность генерации ультразвука за счёт индукционного механизма в условиях тонкого по сравнению с длиной упругой волны скин-слоя,

определяется отношением скорости звука s к скорости света с и отношением плотности энергии магн. поля к модулю упругости металла. Эффективности ЭМАП за счёт деформационного и стюарт-толменовского механизмов, как правило, существенно ниже эффективности ЭМАП в случае индукционного механизма.

В магнитоупорядоченных средах наряду с индукционным взаимодействием, модифицированным наличием магн. подсистемы, проявляются механизмы ЭМАП, обязанные изотропной и анизотропной магнитострикции g. Все процессы, обусловливающие намагничивание вещества, сказываются и в ЭМАП, в частности, возбуждение ультразвука происходит за счёт смещения доменных границ и за счёт вращения намагниченности в доменах. Эффективность магнитоупругого механизма ЭМАП в проводящем изотропном магнетике

где М- намагниченность, m - магн. проницаемость, c - магн. восприимчивость. Магнитоупругий механизм ЭМАП наиб. эффективен в области перехода металла из парамагнитного в ферромагн. состояние. Пик генерации в этой области обязан резкому изменению с темп-рой М,m и c в точке Кюри. Зависимости ЭМАП от магн. поля в ферромагн. состоянии проводника, как правило, существенно немонотонны. В слабых магн. полях доминирует магнитоупругий механизм, эффективность к-рого достигает максимума в области изменения наклона кривой намагничивания. В сильных магн. полях осн. роль играет индукционный механизм, что приводит к линейной зависимости амплитуды генерации от Н₀ (рис. 3).

ЭМАП используется для изучения связей между электронной, спиновой и упругой подсистемами проводников, а также для измерения скорости и затухания акустич. волн в твёрдых телах. Достоинство этого метода - возможность проведения бесконтактных акустич. измерений и ультразвукового неразрушающего контроля в широком интервале частот и темп-р. Генерация ультразвука эл.-магн. волнами наблюдается в металлах и полупроводниках, в сверхпроводящих и магнитоупорядоченных средах. Для изучения упругих свойств диэлектриков этим методом на их поверхность наносят тонкий проводящий слой ("искусственный" скин-слой). На основе ЭМАП созданы скоростной контроль однотипных металлич. изделий, толщинометрия горячего проката, контроль адгезии непроводящих покрытий и сварных соединений.

Рис. 3. Зависимость амплитуды генерации поверхностной ультразвуковой волны в поликристалле железа от Н₀. В слабых полях доминирует магни-тоупругий механизм ЭМАП (штриховая линия), наличие двух пиков связано с обращением в нуль магнитострикции при некотором значении поля. В сильных полях преобладает индукционный механизм (пунктир).

Лит.: Конторович В. М., Глуцюк А. М., Преобразование звуковых и электромагнитных волн на границе проводника в магнитном поле, "ЖЭТФ", 1961, т. 41, с. 1195; Каганов М. И., Фикс В. Б., Возбуждение звука током в металлических пленках, "ФММ", 1965, т. 19, с. 489; Dobbs E. R., Electromagnetic generation of ultrasonic waves, "Phys. Acoustics. Principles and Methods", 1973, v. 10, p. 127; Frost H. M., Electromagneticultrasound transducers: principles, practice and applications, ibid, 1979, v. 14, p. 179; Бу-чельников В. Д., Васильев А. Н., Электромагнитное возбуждение ультразвука в ферромагнетиках, "УФН", 1992, т. 162, № 3, с. 89. А. Н. Васильев.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1988.