1. 引言
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。磁致伸缩效应在微观上表现为材料内部磁畴的位移以及旋转带来材料晶体长度的变化。在交变磁场作用下，磁致伸缩材料会在某些频率下发出响亮的声音。其物理本质是磁致伸缩效应下产生的声学磁力谐振效应。当外加磁场频率和磁致伸缩材料自身固有力学振动频率接近的时候，二者会产生谐振，使得磁致伸缩材料机械振动的振幅加大。从而产生声压级较高、振动频率与交变磁场频率接近的声音。
磁致伸缩材料的声学磁力谐振效应在很多领域有着重要的应用，比如振动换能器和扬声器等。特别是磁流变弹性体的磁致伸缩效应，近年来再次引起人们的关注 [1]。然而，在很多其他领域，声共振效应需要避免。例如用于高频电感器和高频微波器件中的铁氧体材料，声学共振效应会导致驱动磁场的能量损失，从而降低器件性能。在以往的研究中，有很多关于磁致伸缩材料声共振效应在换能器和扬声器中的应用的报道 [2] [3] [4] [5]。然而，对于磁致伸缩铁氧体材料声磁共振效应的研究相对较少，尤其缺乏对磁声共振现象的分析 [6]。同时铁氧体材料应用广泛，因其独特的磁性和电气特性，在微波吸收 [7] 和高频电源等领域而得到了广泛的研究 [8] [9] [10]。因此需要对铁氧体材料的磁声共振现象进行研究。
软磁铁氧体可预期的发展前景使其成为各铁氧体公司研究的热点 [11]，因此本文以镍锌和锰锌铁氧体材料为研究对象，研究了其声学波段的磁共振效应。在实验上定量研究了镍锌和锰锌在交流磁场信号下的磁致伸缩现象，采集了相应的磁声信号，并系统研究了交流磁场频率、铁氧体棒的长度、材料类型、线圈电压等实验变量对磁声共振现象的影响。
2. 实验装置
本文建立了一套用于观察铁氧体棒在交变电场中发出的声音声强级变化的装置，如图1所示 [12]。为了获得更明显的声磁共振现象，我们选择了绝缘的Zn磁致伸缩铁氧体材料作为我们实验装置的材料 [13]。我们采用了不同长度的Mn-Zn铁氧体和Ni-Zn铁氧体作为实验材料，材料参数如表1所示，定制了不同规格的线圈与信号发生器连接 [9]，所用线圈如图2所示，线圈参数如表2所示。在静音室里放置了麦克风，利用麦克风采集声音，并导入电脑进行声音分析。最后提取声强级的平均值作为结果进行记录。
Figure 1. (a) Schematic diagram of magnetic resonance effect test apparatus; (b) Magnetic resonance effect test apparatus
图1. (a) 磁声谐振效应测试实验装置示意图；(b) 磁声谐振效应测试实验装置
Table 1. Parameters of ferrite bar [14] [15]
表1. 铁氧体棒参数表 [14] [15]
Figure 2. Coils with different lengths of the same wire diameter and coils with different lengths of the same wire diameter
图2. 同线径不同长度的线圈与同长度不同线径的线圈
3. 结果和讨论
3.1. 信号频率的影响
实验材料为18 cm镍锌铁氧体棒，其内部固有频率为11,602 Hz，材料内部声速大小为4709 m/s。从图3中可以看到随着频率的增加，当信号线圈中的驱动频率与材料自身固有频率接近的时候，会有一个声压级的最大值，其本质是机械振动频率与固有频率形成了谐振，同时伴随着磁相的变化 [15] [16]。
Figure 3. Variation of magnetoacoustic resonance characteristics of 18 cm ferrite bars with frequency
图3. 18 cm铁氧体棒磁声谐振特点随频率的变化
3.2. 长度的影响
从图4(a)中可以看到减小铁氧体棒的长度，共振峰会向高频移动。即改变铁氧体棒的长度会改变固有频率也就是共振基频，从图4(b)中可以看出固有频率与长度成反比。
Figure 4. (a) Variation of magnetoacoustic resonance characteristics of ferrite bars with different lengths (12 cm, 14 cm, 18 cm, 20 cm) with frequency; (b) Relation between resonant frequency and length of ferrite rod
图4. (a) 不同长度(12 cm、14 cm、18 cm、20 cm)铁氧体棒的磁声谐振特点随频率的变化；(b) 铁氧体棒的共振频率与长度的关系(12 cm, 14 cm, 18 cm, 20 cm)
3.3. 材质的影响
从图5可以看出，同样长度的镍锌和锰锌铁氧体由于杨氏模量和密度的不同，故其内部声速不同，进而固有频率不同，所以谐振峰的位置不同。同时二者磁致伸缩系数以及磁导率也不同，锰锌铁氧体的磁致伸缩系数与磁导率较高，使得二者声压级的最大值不同。
3.4. 线圈电压的影响
实验材料为20 cm的镍锌铁氧体棒，信号频率为10,000 Hz。
从图6可以看出，当线圈电压增大的时候，内部磁场会随之增大，当磁场增大到一定程度，磁致伸缩趋于饱和，声压级趋于一个最大值。
Figure 5. Variation of magnetoacoustic resonance characteristics of 20 cm nickel-zinc and manganese-zinc ferrite bars with frequency
图5. 20 cm镍锌和锰锌铁氧体棒磁声谐振特点随频率的变化
Figure 6. Variation of magnetoacoustic resonance intensity level with voltage for 20 cm nickel-zinc ferrite rods
图6. 20 cm镍锌铁氧体棒磁声谐振声强级随电压的变化
3.5. 线圈参数
实验材料均为20 cm镍锌铁氧体棒，采用同线径不同长度的线圈以及同长度不同线径的线圈。线圈参数如表2所示，实验结果如表3所示。
从实验结果上来看，改变线圈参数，并不会对结果造成明显影响。其本质在于软磁铁氧体通过两个过程完成磁化，磁畴位移和磁畴旋转，磁畴位移发生在前，然后才是磁畴旋转。磁致伸缩效应主要就是由磁畴位移和磁畴旋转造成的，此时由于软磁铁氧体良好的磁导率，内部大部分磁畴的方向已经趋于同向了。故改变线圈参数除了改变磁场大小外并不会对于磁致伸缩效应产生太大的影响。不同的线圈参数只是提供了不同的磁场大小，以及进一步帮助磁化均匀，降低噪声。
Table 3. Variation of magnetoacoustic resonance characteristics of ferrite bars with different coils
表3. 不同线圈下铁氧体棒的磁声谐振特点变化
由于实验条件的限制，关于声音的结构性损耗，以及整个铁氧体棒发声的声场分布仍需要进一步研究解决，并会进一步研究磁致伸缩薄膜材料的声磁共振现象 [17]。同时由于磁偶极子旋转是需要响应时间的，故当频率过高的时候，会出现磁偶极子旋转速度跟不上磁场变化的频率，进而导致的该效应的减弱，需要进一步探究 [18] [19]。
4. 结论
本文研究了铁氧体材料在高频信号发生器供电线圈中的声学磁力谐振效应。从实验上定量研究了镍锌和锰锌铁氧体在交流磁场信号下的磁致伸缩现象，采集了相应的磁声信号，并系统研究了交流磁场频率、铁氧体棒的长度、材料类型、线圈电压等实验变量对磁声共振现象的影响。研究结果表明磁声共振现象的本质是磁致伸缩效应引起的机械振动频率与固有频率形成了谐振体系，进而产生了声学磁力谐振效应。铁氧体的声学磁力谐振效应与交流磁场频率、铁氧体棒的几何形状、材料类型等参数精密相关，需要进行系统地分析，会对材料在具体应用时产生明显的影响。
致谢
本论文感谢秦惠䇹与李政道中国大学生见习进修基金的资助。
NOTES
*第一作者。
#通讯作者。