CC BY
16ВЕСТНИК ПЕРМСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
2012 Серия: Физика Вып. 1 (19)
УДК 669.295.24
Вейвлет-анализ спектров Баркгаузена в аморфном сплаве Fe78B12Si9Ni1
Л. В. Спивак, Н. Н. Мясников
Пермский государственный национальный исследовательский университет,
614990, Пермь, ул. Букирева, 15
В работе исследовано влияние водорода на эффект Баркгаузена в аморфном сплаве Бе78В128і9№1. Показано, что введение водорода приводит к увеличению числа скачков Баркгаузена без изменения амплитуды таких скачков. Впервые применен вейвлет-анализ спектра шумов Баркгаузена и установлена средняя длительность скачков ~ 10-4 с.
Ключевые слова: аморфный, ферромагнетик, вейвлет-анализ, эффект Баркгаузена.
1. Введение
Эффект Баркгаузена (ЭБ) в ферромагнитных материалах является одной из характеристик доменной структуры ферромагнетика. В кристаллически неупорядоченных структурах, таких как аморфные металлы и сплавы, исследованию ЭБ посвящено значительное число работ [1]. По методике регистрации скачков Баркгаузена (СБ) их можно условно разделить (см. [2]) на квазистацио-нарные и динамические. В первом случае СБ регистрируются при медленном изменении внешнего намагничивающего поля. Во втором - при высокочастотном (50 Гц и более).
Поскольку между структурой сплава и шумом Баркгаузена (ШБ) имеется определенная корреляция, для решения чисто прикладных задач в свое время был создан [3] прибор СКИФ-1, использующий накладной электромагнит для намагничивания и вмонтированную в общий блок регистрирующую ЭДС СБ измерительную катушку. На выходе имелась информация об интегральном значении ЭДС СБ за несколько циклов перемагничи-вания. Эта технология была использована нами при создании измерительного комплекса, позволяющего регистрировать СБ за каждый полуцикл намагничивания и программного обеспечения для анализа ШБ.
При квазистационарных методах анализа ШБ малое число (1-3) таких скачков (за цикл перемаг-ничивании АМС) и стохастический характер воз-
никновения СБ создавали определенные затруднения в статистическом обеспечении таких экспериментов (исследований).
Применение же данного комплекса позволяло на хорошей статистической базе получать данные об амплитудных характеристиках СБ ферромагнитного материала. Однако в отличие от квазиста-ционарных методов регистрации СБ при высокочастотных методиках резко сужались возможности определения длительности СБ как одной из характеристик скорости движения доменной границы при перемагничивании ферромагнетика. Для оптимизации ситуации возникла идея использования вейвлет-анализа ШБ для получения информации о длительности таких скачков при высокочастотных измерениях. Возможность реализации такой постановки и стало предметом настоящего исследования.
2. Методика исследования
Объектом исследования являлась аморфная лента аморфного сплава (АМС) Fe78Bl2Si9Nil толщиной 30 мкм и длиной 30-50 мм.
Насыщение АМС водородом проводили в течение 10 минут из кислого электролита (Ш ^804 + Ає20з). Плотность катодного тока -50 А/м2. Образцы сплава 2НСР служили катодом, в качестве анода использовалась платиновая проволока.
Измерение ЭДС Баркгаузена (єб) и частотного спектра осуществляли с помощью специально разработанной установки. Датчик ЭДС Баркгаузена состоял из накладного электромагнита, наводящего магнитное поле в объеме образца, и измери-
© Спивак Л. В, Мясников Н. Н., 2012
тельной катушки, улавливающей магнитныи поток от скачков Баркгаузена. Частота переключения магнитного поля составляла 100 Гц. Перемагничи-вание в объеме образца было однородным. Магнитное поле менялось в пределах от - 100 А/м до + 100 А/м, частота дискретизации - 16 кГц (160 точек в 10 мс). Импульсы ЭДС от СБ с помощью широкополосного усилителя (коэффициент усиления 2500) с малым уровнем шума усиливались до величины, позволяющей их дальнейшую регистрацию. Прибором наблюдения и регистрации служил осциллограф РС8641 Обработка экспериментальных данных осуществлялась по специальной программе. Поскольку эффект Баркгаузена носит стохастический характер, производилось осреднение результатов измерения за 30 циклов перемагничи-вания.
Погрешность экспериментов составляет 10-15 %, что в первую очередь обусловлено неоднородностью исследуемого материала.
При вейвлет-анализе данных был использован непрерывный вейвлет[4, 5]:
a>(a,b) = a" J f (t) у где Wa,b (t) = W(t) =W'1 b
t-b
вещественная, или комплексная, функция, называемая анализирующим вейвлетом; a - параметр, отвечающий за масштаб (период) уab (t); b - параметр, отвечающий за положение (сдвиг); к - показатель степени масштабного множителя (в нашем случае взят за 1). В качестве анализирующеговейвлета был выбран вейвлет Морле y(t) = exp(iaot)exp(-t2/2). .
Полученные в результате записи ШБ дискретные кривые “время - намагниченность” обрабатывались в пакете “Wolfram Mathematica 8.0”.
З. Экспериментальные результаты и их обсуждение
На рис. 1 представлен результат наложения скачков Баркгаузена за 30 циклов перемагничивания АМС в исходном состоянии. Амплитуды ЭДС единичных СБ распределены таким образом, что образуют спектр значений ЭДС СБ, отвечающий наложению разноименного внешнего магнитного поля. В этом спектре можно выделить три области: область гигантских СБ в центре и две прилегающие к ней боковые с амплитудами скачков, заметно отличающимися от максимальной величины. Для аморфных сплавов в исходном состоянии характерны узкие, в достаточной степени симметричные (близкие к гауссовскому распределению) пики. В отличие от кристаллических веществ, характеризующихся широким спектром скачков по
амплитуде и по значениям намагничивающего поля, теоретически все перемагничивания в магнитомягких АМС должны идти одним скачком, так как петля гистерезиса аморфного сплава обычно имеет прямоугольную форму [6].
Рис. 1. Спектр шумов Баркгаузена в АМС. Исходное состояние
Рис. 2. Спектр шумов Баркгаузена в АМС. После 10 мин наводораживания
Амплитуда (
Рис. 3. Зависимость числа СБ от амплитуды. 1 - исходное состояние. 2 - после 10 мин наводораживания
Если же существуют различные по эффективности препятствия для движения доменных стенок, то менее сильно закрепленные границы доменов начинают движение при относительно более слабом магнитном поле, тогда как сильно закрепленные - при более сильном магнитном поле.
a
a
63
Л. В. Спивак, Н .Н. Мясников
Рис. 4. Вейвлет - представление спектра Баркгаузена для АМС. Исходное состояние
Рис. 5. Вейвлет - представление спектра Баркгаузена для АМС. После 10 мин наво-дораживания
Все это должно привести к появлению спектра СБ по амплитуде и времени их наблюдения, что и есть в действительности.
При введении в АМС водорода заметно возрастает ширина рассматриваемых пиков (рис. 2). Максимальная амплитуда СБ при этом остается практически неизменной. Значительно увеличивается число “гигантских” скачков по сравнению с исходным состоянием (см. рис. 3). Расширяется диапазон магнитного поля, в котором фиксируются СБ.
По-видимому, одним из следствий введения водорода в АМС является изменение локального рельефа поля внутренних напряжений, оказывающего заметное влияние на подвижность доменных границ ферромагнетика и характеристики ШБ [710]. Кроме того, водород может захватываться стенками Блоха и также влиять на подвижность границ доменов [11].
На рис. 4 представлено вейвлет - преобразование спектра ШБ для АМС в исходном состоянии. Ордината на рис. 4 характеризует длительность СБ (условные единицы), по шкале абсцисс отложена развертка по полю в выбранной системе дискретизации, а интенсивность сигнала на вейвлет - плоскости дает представление о плотности таких состояний. На вейвлет-плоскости для АМС в
исходном состоянии фиксируются две области таких временных характеристик. Вейвлет-анализ позволяет оценить длительность СБ. Она охватывает диапазон от 10-4 ^3 10-3 с.
Введение водорода заметно усложняет вид вейвлет-плоскости для спектра ШБ (рис.5). С одной стороны, фиксируются дополнительные полюса локализации СБ по их длительности. С другой -расщепление относительно симметричного характера распределения СБ (см. рис. 4) на ряд обособленных участков на вейвлет-плоскости с более выраженной их локализацией. Однако на сам диапазон изменения длительности СБ введение водорода практически не влияет.
Таким образом, введение водорода в АМС изменяет распределение СБ не только по амплитуде и значению стартового поля, но и по длительности таких сигналов. Все это свидетельствует о глубокой трансформации доменной структуры ферромагнитного АМС при введении в него водорода.
4. Выводы
1. В содержащем водород АМС скачки Барк-гаузена начинаются при меньших значениях магнитного поля, что косвенно свидетельствует об увеличении коэрцитивной силы в таких сплавах.
2. Введение водорода не влияет на максимальные значения амплитуды СБ, но увеличивает число таких скачков за цикл перемагничивания.
3. В исходном состоянии в АМС наблюдаются два полюса плотности распределения СБ по их длительности. Введение водорода сопровождается появлением дополнительных полюсов поляризации и более выраженной их локализацией. Однако на сам диапазон изменения длительности СБ введение водорода практически не влияет.
Список литературы
1. Рудяк В. М. Эффект Баркгаузена // Успехи физ. наук. 1970. Т. 101, Вып. 3. С. 429-462.
2. Чернышов Е. Т., Чернышова Н .Г., Чечурина Е. Н. Магнитные измерения на постоянном и переменном токе. М.: Стандартгиз. 1962. 186 с.
3. Ломаев Г. В. Эффект Баркгаузена и его использование в технике измерений. Ижевск; Изд-во УдГУ, 19S4. 216 с.
4. Чуи Ч. Введение в вэйвлеты / Пер. с англ. М.: Мир, 2001. 412 с.
5. Короновский А. А., Храмов А. Е. Непрерывный вейвлетный анализ и его приложения. М.: Физ-матлит, 2003. 176 с.
6. Золотухин И. В. Физические свойства аморфных металлических материалов. М.: Металлургия, 1986. 176 с.
7. Durin G., Zapperi S. Barkhausen noise in soft amorphous magnetic materials under applied stress //J. Appl. Phys. 1999. Vol. S5, N S. P. 5196-519S.
8. Durin G., Zapperi S. Universality and size effects in the Barkhausen noise //J. Appl. Phys. 2000. Vol. 87, N97. P. 7031-7033.
9. Eszenyi G., Szabo S., Harasztosi L., Zamborszky F. еt al. Barkhausen-noise and mechanical sensitivity in finemet-type materials // Journal of Electrical Engineering. 2008. Vol. 59, N 7. P. 66-69.
10. Laurson L., Mughal A., Durin G еt al. Modeling
domain wall dynamics in thin magnetic strips with disorder //IEEE Trans. Magn. 2010. Vol.46, P. 262-265.
11. Cengia L., Kovac F. Influence of annealing and hydrogenation-dehydrogenation processes of internal stresses and barkhausen noise of Fe83Bi7 amorphous alloy //J. Mater. Sci. 2001. Vol. 36. P. 4125-4129.
Wavelet-analysis of Barkhausen spectra in an amorphous Fe78B12Si9Ni1 alloy
L. V. Spivak, N. N. Мyasnikov
Perm State University, Bukirev St., 15, 614990, Perm
The hydrogen influence on Barkhausen effect in an amorphous Fe78Bi2Si9Nii alloy has been investigated. The hydrogenation results in the increase of Barkhausen jumps value without change of amplitude of such jumps. The wavelet-analysis of Barkhausen noise spectrum has been applied for the first time. Average duration of the jumps was established as ~ 10-4 s.
Keywords: amorphous, ferromagnetic, wavelet-analysis, Barkhausen effect.
