МИКРОФОННЫЙ ДАТЧИК ДЛЯ СНЯТИЯ АКУСТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ С ПОВЕРХНОСТИ КОНТРОЛИРУЕМОГО ОБЪЕКТА

Полезная модель предназначена для снятия параметров акустических колебаний при неразрушающем контроле, основанном на возбуждении свободно затухающих упругих колебаний в контролируемом объекте или его части и последующем анализе параметров этих колебаний, и может быть использована в различных отраслях промышленности и испытательной технике.
Преимуществами метода свободных колебаний перед другими низкочастотными методами являются возможность контроля изделий из материалов с малыми модулями Юнга и высокими коэффициентами затухания упругих колебаний (резины, пенопласта и т.п.) и обнаружение дефектов на большей глубине (до 30 мм в пластиках). Основными способами ударного возбуждения упругих колебаний в контролируемом изделии являются: механический (электромеханический), пьезоэлектрический, электромагнитно-акустический.
Совершенствование экспериментальной техники отражается и на методах регистрации широкополосного акустического сигнала в исследуемой среде. Кроме контактных методов регистрации с помощью пьезоэлектрических преобразователей, микрофонов активно используются оптические методы детектирования объемных и поверхностных акустических волн - лазеры.
Чаще всего съем акустической информации с поверхности диагностируемого объекта осуществляется с помощью контактных пьезодатчиков, имеющих относительно простую конструкцию, позволяющую легко разместить их на поверхности различных изделий.
Однако, они имеют ряд недостатков. Основными из них являются:
- относительно узкая полоса рабочих частот, ограниченная в низкочастотной области;
- большая неравномерность амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в полосе рабочих частот, достигающая в отдельных случаях нескольких десятков дециБелл (дБ);
- плохая повторяемость АЧХ при переустановке датчика. Это означает, что в случае снятия и последующей установке датчика даже на тот же самый объект результаты измерений АЧХ при первой и второй установке датчика могут существенно различаться, тем самым сильно снижая достоверность получаемой информации;
- необходимость тщательной зачистки поверхности контакта и применения иммерсионной жидкости.
Основным недостатком лазерных датчиков, используемых для регистрации упругих колебаний является сложность конструкции, требования к настройке оптической системы, сложность эксплуатации их и т.д.
Например, диагностическая измерительная система (см. патент РФ №2141102, кл. G01D 5/353, опубл. 1997). содержит оптический контур с источником излучения оптического диапазона, выполненный в виде лазера непрерывного действия, конденсор из оптических призм и датчик возмущения, а также электрический контур преобразования светового излучения в информативные электрические сигналы с аналого-цифровым преобразователем и устройством регистрации, записи и воспроизведения измеряемых параметров. Система достаточно сложна в конструктивном отношении и обеспечивает измерение лишь статических параметров, что ограничивает область ее применения.
Микрофонные датчики, основным элементом которых является микрофон, для съема акустических упругих колебаний широко применяются в различных областях промышленности, т.к просты по конструкции, достаточно чувствительны и могут работать как при непосредственным контакте с диагностируемым изделием, так и бесконтактным способом - через воздушный зазор.
Микрофон-электроакустический прибор, преобразовывающий звуковые колебания в колебания электрического тока. Принцип работы микрофона заключается в том, что давление звуковых колебаний воздуха, воды или твердого вещества действует на тонкую мембрану микрофона. В свою очередь, колебания мембраны возбуждают электрические колебания; в зависимости от типа микрофона для этого используются явление электромагнитной индукции, изменение емкости конденсаторов или пьезоэлектрический эффект.
К преимуществам микрофонных датчиков можно отнести их высокую чувствительность, достаточно широкую полосу частот при небольшой неравномерности амплитудно-частотной характеристики в рабочем диапазоне частот.
Известны серийно выпускаемые дефектоскопы, реализующие ударно-акустический метод, например, АД - 60С и др., в которых производят периодическое нанесение механических ударов по поверхности контролируемого изделия, с последующим анализом реакции изделия на эти удары, причем удары наносятся свободно падающим ударником, изготовленным из ферромагнитного материала, а в момент отскока на него воздействуют строго дозированным электромагнитным импульсом, придающим ударнику дополнительное ускорение вверх и компенсирующим потери энергии при ударе, обусловленные затратами энергии на создание в изделии и окружающем пространстве упругих акустических волн (внутреннее трение) и пластическую деформацию поверхностных слоев соударяющихся тел, причем величину этих потерь определяют путем измерения периода установившихся колебаний ударника или амплитуды этих колебаний (Патент РФ №2168722 опубликован 20.05.2000 г.).
Преимуществом известного способа является отсутствие необходимости предварительной обработки поверхности контролируемого объекта, применения контактного материала, но экспериментальные исследования, проведенные авторами и другими исследователями, показали, что, даже при более совершенном методе спектрального анализа сигнала и его дальнейшей обработки численными методами с помощью ЭВМ, чувствительность и локальность контроля остаются недостаточно высокими.
Это можно объяснить тем, что акустический сигнал, воспринимаемый микрофоном, возбуждается не только той точкой поверхности изделия, по которой наносится удар, а практически всей поверхностью контролируемого изделия, по которому упругие волны распространяются с гораздо большей скоростью, чем по воздуху, и имеют весьма малое затухание, а, следовательно, и спектр этих колебаний зависит от свойств изделия (наличия дефекта соединения между слоями) не только непосредственно под точкой удара, но и в весьма широкой области вокруг нее. (Для подтверждения этого можно привести весьма распространенный способ обнаружения трещин в стеклянной, фарфоровой и фаянсовой посуде "на звук" при постукивании по ней в любой точке, а не обязательно в зоне нахождения этой трещины). Кроме того, звук издает и сам ударник, и вибрирующие при ударах элементы конструкции всего первичного преобразователя, создавая дополнительную помеху, ухудшающую чувствительность. Следует ожидать, что в цеховых условиях при автоматизации распознавания дефектов чувствительность еще больше снизится из-за наличия внешних акустических шумов, которые в цехе могут достигать интенсивностей, сравнимых или даже превосходящих полезный акустический сигнал.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является система электретного конденсаторного микрофона, защищенная патентом РФ №2310294, опубликованный 10.11.2007 г., которая предназначена для преобразования акустических колебаний в электрические в системах охранной тревожной сигнализации, устройствах мобильной связи, слуховых аппаратах и устройствах прослушивания.
Система электретного конденсаторного микрофона содержит собственно микрофон выход, которого связан через нагрузочный резистор с единственным выходом импульсного модулятора, один выход которого соединен с одним из входов устройства выборки и хранения, а другой с источником питания (U пит.) Другой вход устройства соединен с выходом микрофона, а выход устройства с входом согласующего усилителя выход, которого является выходом системы.
Конструкция электретного конденсаторного микрофона в описании не приведена, но есть ссылка на то, что она описана, в патенте ЕР 1096831 опубл. 02.05.2001 г) и содержит: корпус, диафрагму, сделанную из высокополимерной электретной пленки, которая прикреплена к кольцу неподвижного электрода (капсюль) задней поверхности корпуса микрофона, расположенного напротив диафрагмы; прокладки, помещенной между электродом задней поверхности и кольцом для создания пространства между диафрагмой и задним электродом; держателем заднего электрода; а также интегральной схемы, смонтированной на печатной плате.
Достоинством электретных микрофонов являются: высокая чувствительность, малая неравномерность характеристики в диапазоне звуковых частот, высокая технологичность, обеспечивающая серийную воспроизводимость и низкую себестоимость, а также достаточно большой срок службы.
Применение микрофонов других типов (например, пьезоэлектрических или керамических) ограничено большими массогабаритными параметрами, а также невысокой чувствительностью и большой неравномерностью характеристики в диапазоне звуковых частот.
Принцип работы конденсаторного микрофона заключается в следующем. Капсюль микрофона представляет собой конденсатор, одна пластина которого неподвижна (массивный электрод), вторая - тонкая натянутая мембрана из металлизированной с внешней стороны высокополимерной пленки. На конденсатор подается постоянное поляризующее напряжение (обычно 48 В) через высокоомный резистор, наличие которого обеспечивает постоянство заряда на его обкладках. При падении звуковой волны на микрофон диафрагма начинает колебаться, при этом меняется расстояние между пластинами и меняется емкость конденсатора. При колебаниях диафрагмы происходит изменение емкости, пропорциональное величине смещения диафрагмы. Поскольку при изменении емкости конденсатора заряд сохраняется практически постоянным, то должно, соответственно, изменяться напряжение на нем. Из приведенных выражений следует, что переменная составляющая напряжения пропорциональна величине поляризующего напряжения, смещению диафрагмы и обратно пропорциональна величине расстояния между обкладками. Переменное напряжение, обусловленное колебаниями мембраны, через блокирующий (от проникновения постоянного поляризующего напряжения) конденсатор подается на пред-усилитель, который трансформирует высокое (емкостное) сопротивление капсюля к более низкому значению для согласования его с входным сопротивлением последующего микрофонного усилителя.
Однако традиционные электретные конденсаторные микрофоны имеют следующие недостатки: слабая защищенность открытого канала связи и диафрагмы микрофона от загрязнений и повреждений; недостаточная защищенность от внешних шумовых помех (сигналов пришедших на диафрагму микрофона не с поверхности объекта, а посторонних источников шума); неудовлетворительная переходная характеристика мембраны вследствие слабой демпфирующей способности воздушной среды открытого канала связи.
Технической задачей полезной модели является устранения недостатков традиционного электретного конденсаторного микрофона путем повышения помехозащищенности его от внешних шумов, улучшения переходной характеристики диафрагмы за счет обеспечения эффективного демпфирования ее и точечного съема акустических колебаний поверхности контролируемого объекта.
Технический результат достигается за счет того, что микрофонный датчик, содержащий электретный конденсаторный микрофон, блок питания и усилитель выходных сигналов, причем микрофон содержит корпус, микрофонный капсюль, в кольцевом пазу которого размещена электретная диафрагма, выполненная из высокополимерной пленки и воздушный канал связи, образованный между торцом корпуса и электретной диафрагмой, внесены конструктивные изменения, а именно:
- введена внешняя мембрана, изолирующая канал связи с внешней средой, закрепленная на корпусе микрофона упругим элементом;
- контакт микрофона с поверхностью контролируемого объекта, выполнен в виде полусферы, расположенной в центре внешней мембраны;
- отношение площадей электретной диафрагм и внутренней мембраны выбирается из условия достижения оптимальной чувствительности микрофона равного 1:(5-8). Кроме того, канал связи (расстояние между внутренней диафрагмой капсюля и внешней мембраной) выбран из условия оптимальности величины входящего акустического сигнала упругой волны за счет уменьшения его длины, т.е опускания капсюля с диафрагмой ближе к внешней мембране микрофона.
Введение внешней мембраны позволяет изолировать канал связи микрофона от внешних шумов и обеспечить улучшение характеристик микрофона, т.к. повышает демпфирование диафрагмы капсюля и улучшает ее переходную характеристику.
Форма контакта в виде полусферы выбрана на основе анализа экспериментальных данных, т.к. если ставить датчик всей плоскостью на поверхность изделия получаемый сигнал нестабилен, а учитывая малые размеры полусферы получаем практически точечный контакт и не требуется подготовка поверхности контролируемого изделия.
Чувствительность диафрагмы капсюля увеличивается пропорционально соотношению ее площади и площади внешней мембраны, т.е. в соответствии с выбранным диапазоном в 5-8 раз, который был получен в результате испытаний различных конструкций микрофона.
Внешняя мембрана, несмотря на свою массу, хорошо воспринимает колебание поверхности изделия, благодаря механическому контакту с поверхностью изделия и плохо -внешние помехи (шумы), что позволяет в совокупности со звукоизолирующим корпусом, получить помехозащищенный датчик.
Чувствительность диафрагмы повышается и за счет того, что длина воздушного канала (расстояние между диафрагмой и внутренней поверхностью мембраны) выбирается оптимальной на основании проведенных исследований микрофона с различным расположением по высоте капсюля в корпусе микрофона.
Сущность полезной модели поясняется фиг.1, 2. На фиг.1 приведен общий вид электретного конденсаторного микрофона, а на фиг.2 блок схема микрофонного датчика, поясняющая процесс приема акустических сигналов.
На фиг.1 показаны: звукоизолирующий корпус микрофона 1, капсюль 2, электретная диафрагма 3, выполненная из высокополимерной пленки, воздушный канал связи 4, внешняя мембрана 5 с полусферой 6 (контакт), упругий элемент 7 и поверхность контролируемого изделия 8.
На фиг.2 показан электретный конденсаторный микрофон 9, блок питания 10, резистор 11, согласующий усилитель 12 и выходной усилитель 13. Возможны различные варианты вьтолнения блок-схемы микрофонного датчика, например, усилители, которые выполняются на основе полевого транзистора или микросхемы (чипа), могут быть размещены непосредственно в корпусе микрофона или на отдельной плате.
Рассмотрим работу микрофонного датчика на конкретном примере диагностики тележек железнодорожных вагонов. В качестве источника возбуждения свободных акустических колебаний в контролируемой объекте использован электромагнитный ударник (патент РФ №108628), который устанавливается в указанное место, в зависимости от типа контролируемой детали. Затем на это изделие, в точку съема акустических колебаний, устанавливают микрофонный датчик. Сам микрофонный датчик имеет очень маленькие размеры, например, толщина электретной диафрагмы 1-2 мкм, толщина внешней мембраны 1-2 мм, а диаметры диафрагмы и мембраны соответственно - 5 и 11 мм.
По команде компьютера электромагнитный ударник производит ударное возбуждение контролируемой зоны объекта контроля (в соответствии с типом контролируемого изделия - колесо, рама). С целью повышения достоверности получаемой информации и обработки ее статистическими методами ударное возбуждение выполняется шесть раз с интервалом оптимизированным по длительности для конкретного изделия. Свободно затухающие упругие колебания регистрируются микрофоном 9 за счет механического контакта 6 (полусферы) и воспринимаются внешней мембраной 5. Колебания внешней мембраны через воздушный канал 4 передаются электретной диафрагме 3 капсюля 2, изменяя емкость конденсатора, образованного диафрагмой и параллельной ей поверхности капсюля. В результате, акустические колебание преобразуются в электрический сигнал (изменения напряжения на обкладках конденсатора) принятый электрический сигнал согласуется с входом усилителя 13, согласующим усилителем 12 и поступает на дальнейшую обработку в электронный блок, включающим компьютер и специальную программу обработки полученных сигналов.
Микрофонный датчик для измерения упругих (свободных) колебаний поверхности контролируемого объекта обладает рядом преимуществ по сравнению с известными устройствами, т.к. значительно повышает надежность и достоверность полученных результатов за счет изоляции от посторонних помех, точечного механического контакта, а также увеличения чувствительности электретной диафрагмы капсюля микрофона за счет выбора оптимального соотношения площадей диафрагмы и внешней мембраны.
В настоящее время предлагаемое техническое решения проходит промышленно-опытную проверку и после ее окончания предполагается внедрение его в различных областях техники, в первую очередь на железнодорожном транспорте.