МИКРОФОННЫЙ КАПСЮЛЬ

Предлагаемый микрофонный капсюль относится к электроакустике и может быть использован в составе микрофонов, применяемых в науке и производстве, в том числе в сейсмологии и медицине, для измерения акустических колебаний и промышленных шумов сверхнизких частот.
Известные капсюли делятся на капсюли угольных, электромагнитных, электродинамических и конденсаторных пьезоэлектрических микрофонов
Действие капсюля угольного микрофона [Иофе В.К., Корольков В.Г., Сапожков М.А. Справочник по акустике М., Связь, 1979, с.90-91] основано на изменении сопротивления между зернами угольного порошка при изменении давления на их совокупность. Угольный порошок находится между электродами капсюля: подвижным - мембраной и неподвижным. При прогибе мембраны звуковым давлением, изменяется сила сжатия угольного порошка и, соответственно, электрическое сопротивление между электродами капсюля. Недостатки капсюля - большая нестабильность работы и повышенный шум из-за того, что полезный электрический сигнал вырабатывается при разрыве и восстановлении контактов между отдельными зернами порошка, пониженная чувствительность и ограниченный частотный диапазон со стороны нижних частот.
Действие капсюлей электромагнитного микрофона [Урбанский Б. Электроакустика в вопросах и ответах: Пер. с польск./ Под ред. М.А.Сапожкова. М., Радио и связь, 1981, с.77-79] и электродинамического микрофона [Иофе В.К., Корольков В.Г., Сапожков М.А. Справочник по акустике М., Связь, 1979, с.91-92] основано на возникновении в катушке переменного напряжения при изменении магнитного потока через ее витки. Изменение магнитного потока происходит при колебаниях мембраны под действием звукового давления. Величина напряжения на выходах этих
капсюлей (на выводах катушек) пропорциональна скорости колебательного движения мембраны, что ведет к уменьшению чувствительности и ограничению частотного диапазона со стороны нижних частот.
В капсюле пьезоэлектрического микрофона [М.А.Сапожков Электроакустика М., Связь, 1978, с.107-108] используется явление пьезоэффекта: при деформации пластинки пьезоэлектрика происходит ее поляризация, т.е. появление зарядов разных знаков на противоположных плоскостях пластинки. При этом величина заряда на плоскостях пластинки пропорциональна скорости изменения давления на пластинку. Это ограничивает диапазон рабочих частот капсюлей со стороны нижних частот.
В конденсаторных капсюлях (капсюлях конденсаторных микрофонов) под воздействием акустических колебаний происходит смещение одного из электродов, как одной из обкладок конденсатора. В результате смещения этого - подвижного электрода (мембраны), изменяется электрическая емкость конденсатора, изменяется заряд на его обкладках, а в электрической цепи, содержащей конденсатор, протекает переменный ток.
Конденсаторные капсюли бывают ненаправленными и с двухсторонней направленностью [Вахитов Ш. Современные микрофоны и их применение. Журнал "Радио", номер 11, 1998 г. с.8, Урбанский Б. Электроакустика в вопросах и ответах: Пер. с польск./ Под ред. М.А.Сапожкова. М., Радио и связь, 1981, с.88]. Ненаправленные капсюли содержат два электрода - подвижный и неподвижный. Электроды разделены газовым (воздушным) промежутком и образуют конденсатор. Примером такого устройства является капсюль [патент РФ №2114519]. Недостатком капсюля является ограниченный частотный диапазон со стороны нижних частот. Это происходит из-за наличия в капсюле специального канала - штуцера с капилляром, соединяющего газовый промежуток между электродами с атмосферой и предназначенного для выравнивания давления в газовом промежутке. В двунаправленных устройствах с двумя неподвижными электродами и расположенной между ними мембраной, с целью обеспечения
двунаправленной работы, неподвижные электроды имеют сквозные отверстия. Через эти отверстия газовые промежутки между мембраной и неподвижными электродами соединены с атмосферой. Из-за наличия отверстий частотный диапазон таких устройств ограничен со стороны нижних частот.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является капсюль [патент U.S. №4491697].
Известный капсюль с тремя выводами, содержит три электрода, первый из которых подключен к первому выводу, второй - ко второму выводу, а третий - к третьему выводу, причем второй и третий электроды расположены по разные стороны относительно первого электрода и отделены от него соответственно первым и вторым газовыми промежутками.
Первый электрод (мембрана) является подвижным электродом и выполнен с возможностью перемещения (под воздействием на него акустических колебаний) относительно второго и третьего электродов. Второй и третий электроды неподвижны и часто называются фронтальным неподвижным и тыльным неподвижным электродами.
Первый и второй, а также первый и третий электроды, разделенные между собой соответственно первым и вторым газовыми промежутками, образуют электрические конденсаторы.
Во втором и третьем электродах имеются сквозные отверстия, через которые газовые промежутки соединены с атмосферой. Наличие указанных сквозных отверстий обеспечивает возможность двунаправленной работы микрофона, содержащего данный капсюль.
Капсюль в составе микрофона работает следующим образом. При действии на капсюль акустических колебаний с тыльной, либо фронтальной стороны, происходит смещение первого электрода - мембраны капсюля. При смещении мембраны, изменяется электрические емкости конденсаторов, образованных первым и вторым, а также первым и третьим электродами. При
этом на втором и на третьем электродах, как на обкладках конденсаторов, изменяется электрические заряды. Эти же изменения зарядов происходят, соответственно, на втором и третьем выводах капсюля. В результате, в электрических контурах, содержащих конденсаторы, протекают переменные электрические токи. При протекании этих токов по внешним (по отношению к капсюлю) сопротивлениям нагрузки, возникают сигналы переменного напряжения, частота изменения которых равна частоте регистрируемых акустических колебаний. Амплитуды этих сигналов напряжений тем больше, чем больше смещения (колебания) мембраны.
Недостатком капсюля является ограниченный частотный диапазон со стороны нижних частот. Капсюль не эффективен при регистрации акустических колебаний в области сверхнизких частот, составляющих десятые и сотые доли Гц. Это объясняется следующим. Величина смещения первого электрода (мембраны) относительно исходного положения (в отсутствие акустических колебаний) зависит от разности давлений воздуха в газовых промежутках, прилегающих к мембране с противоположных сторон. Наличие сквозных отверстий в обоих неподвижных электродах приводит к тому, что при уменьшении частоты акустических колебаний (то есть при уменьшении скорости изменения звукового давления - скорости колебательного движения воздуха), разность давлений на мембрану уменьшается по причине частичного выравнивания давлений в газовых промежутках. Это приводит к уменьшению смещения мембраны, уменьшению изменения электрических емкостей, образованных парами электродов и, в результате, к уменьшению амплитуды электрических колебаний и ограничению частотного диапазона со стороны нижних частот.
Задача настоящего изобретения состоит в расширении частотного диапазона капсюля со стороны нижних частот путем использования эффекта отклонения пучка заряженных частиц - ионов акустическими колебаниями среды, и регистрацией этого отклонения по изменению количества заряда, собираемого в единицу времени на каждом из двух плоских электродов,
расположенных на пути пучка заряженных частиц и разделенных между собой диэлектрическим зазором.
Поставленная задача решается тем, что в микрофонном капсюле, с тремя выводами, содержащем три электрода, первый из которых подключен к первому выводу, второй - ко второму выводу, а третий - к третьему выводу, второй и третий электроды расположены по одну сторону относительно первого электрода и отделены от него общим газовым промежутком, причем второй электрод отделен от третьего электрода диэлектрическим зазором.
При этом:
- первый электрод выполнен из проволоки в виде витка, площадь которого не превышает площадей второго и третьего электродов, причем диаметр проволоки не превышает 2 мм.
- второй и третий электроды выполнены в форме прямоугольников одинаковых размеров.
- диэлектрический зазор между вторым и третьим электродами воздушный, ширина которого не превышает 3 мм.
- капсюль может быть снабжен дополнительным электродом, отделенным от второго и третьего электродов дополнительным газовым промежутком и выполненным с возможностью подключения либо к первому выводу, либо к соответствующему ему дополнительному выводу капсюля.
- капсюль микрофона может быть снабжен по меньшей мере одним дополнительным электродом, расположенным относительно газового промежутка с той же стороны, что и первый электрод, и выполненным с возможностью подключения либо к первому выводу, либо к соответствующему ему дополнительному выводу капсюля.
- капсюль может быть снабжен по меньшей мере двумя дополнительными электродами, при этом, по меньшей мере один из дополнительных электродов расположен относительно газового промежутка с той же стороны, что и первый электрод, и выполнен с возможностью подключения либо к первому выводу, либо к соответствующему ему
дополнительному выводу капсюля, кроме того, по меньшей мере один из дополнительных электродов отделен от второго и третьего электродов дополнительным газовым промежутком и выполнен с возможностью подключения либо к первому выводу, либо к соответствующему ему дополнительному выводу капсюля.
- капсюль микрофона может быть снабжен двумя дополнительными электродами, отделенными друг от друга дополнительным диэлектрическим зазором, а также отделенными от первого электрода дополнительным газовым промежутком, и выполненными с возможностью подключения либо к соответствующим им дополнительным выводам капсюля, либо ко второму выводу, либо к третьему выводу капсюля.
- капсюль может быть снабжен по меньшей мере тремя дополнительными электродами, при этом два из дополнительных электрода отделены друг от друга дополнительным диэлектрическим зазором, отделены от первого электрода дополнительным газовым промежутком, и выполнены с возможностью подключения либо к соответствующим им дополнительным выводам капсюля, либо ко второму выводу, либо к третьему выводу капсюля, кроме того, по меньшей мере один из дополнительных электродов расположен между газовым промежутком и дополнительным газовым промежутком и выполнен с возможностью подключения либо к первому выводу, либо к соответствующему ему дополнительному выводу капсюля.
- капсюль микрофона может быть снабжен по меньшей мере одним дополнительным электродом, расположенным по отношению к первому электроду с той же стороны, что и второй и третий электроды, отделенным от второго и третьего электродов дополнительными диэлектрическими зазорами, и выполненным с возможностью подключения либо к соответствующему ему дополнительному выводу капсюля, либо ко второму выводу, либо к третьему выводу капсюля.
- капсюль может быть снабжен по меньшей мере двумя дополнительными электродами, при этом, по меньшей мере один из дополнительных
электродов расположен относительно газового промежутка с той же стороны, что и первый электрод, и выполнен с возможностью подключения либо к первому выводу, либо к соответствующему ему дополнительному выводу капсюля, кроме того, по меньшей мере один из дополнительных электродов расположен по отношению к первому электроду с той же стороны, что и второй и третий электроды, отделен от второго и третьего электродов дополнительными диэлектрическими зазорами, и выполнен с возможностью подключения либо к соответствующему ему дополнительному выводу капсюля, либо ко второму выводу, либо к третьему выводу капсюля.
- капсюль может быть снабжен по меньшей мере двумя дополнительными электродами, при этом, по меньшей мере один из дополнительных электродов расположен по отношению к первому электроду с той же стороны, что и второй и третий электроды, отделен от второго и третьего электродов дополнительными диэлектрическими зазорами, и выполнен с возможностью подключения либо к соответствующему ему дополнительному выводу капсюля, либо ко второму выводу, либо к третьему выводу капсюля, кроме того, один из дополнительных электродов отделен от второго и третьего электродов дополнительным газовым промежутком и выполнен с возможностью подключения либо к первому выводу, либо к соответствующему ему дополнительному выводу капсюля.
- капсюль может быть снабжен по меньшей мере тремя дополнительными электродами, при этом, по меньшей мере один из дополнительных электродов расположен относительно газового промежутка с той же стороны, что и первый электрод, и выполнен с возможностью подключения либо к первому выводу, либо к соответствующему ему дополнительному выводу капсюля, кроме того, по меньшей мере один из дополнительных электродов расположен по отношению к первому электроду с той же стороны, что и второй и третий электроды, отделен от второго и третьего электродов дополнительными диэлектрическими зазорами, и выполнен с возможностью подключения либо к соответствующему ему
дополнительному выводу капсюля, либо ко второму выводу, либо к третьему выводу капсюля, помимо этого, по меньшей мере один из дополнительных электродов отделен от второго и третьего электродов дополнительным газовым промежутком и выполнен с возможностью подключения либо к первому выводу, либо к соответствующему ему дополнительному выводу капсюля.
- капсюль может быть снабжен по меньшей мере тремя дополнительными электродами, при этом, по меньшей мере два из дополнительных электродов отделены друг от друга дополнительным диэлектрическим зазором, отделены от первого электрода дополнительным газовым промежутком, и выполнены с возможностью подключения либо к соответствующим им дополнительным выводам капсюля, либо ко второму выводу, либо к третьему выводу капсюля, кроме того, по меньшей мере один из дополнительных электродов расположен по отношению к первому электроду с той же стороны, что и второй и третий электроды, отделен от второго и третьего электродов дополнительными диэлектрическими зазорами, и выполнен с возможностью подключения либо к соответствующему ему дополнительному выводу капсюля, либо ко второму выводу, либо к третьему выводу капсюля.
- капсюль может быть снабжен по меньшей мере четырьмя дополнительными электродами, при этом, по меньшей мере два из дополнительных электродов отделены друг от друга дополнительным диэлектрическим зазором, отделены от первого электрода дополнительным газовым промежутком, и выполнены с возможностью подключения либо к соответствующим им дополнительным выводам капсюля, либо ко второму выводу, либо к третьему выводу капсюля, кроме того, по меньшей мере один из дополнительных электродов расположен по отношению к первому электроду с той же стороны, что и второй и третий электроды, отделен от второго и третьего электродов дополнительными диэлектрическими зазорами, и выполнен с возможностью подключения либо к
соответствующему ему дополнительному выводу капсюля, либо ко второму выводу, либо к третьему выводу капсюля, помимо этого, по меньшей мере один из дополнительных электродов расположен между газовым промежутком и дополнительным газовым промежутком и выполнен с возможностью подключения либо к первому выводу, либо к соответствующему ему дополнительному выводу капсюля.
Изменение пространственного расположения электродов, в результате которого и второй и третий электроды расположены по одну сторону относительно первого электрода и отделены от него общим газовым промежутком, причем второй электрод отделен от третьего диэлектрическим зазором, позволяет регистрировать отклонение пучка заряженных частиц, происходящее под воздействием акустических волн, по изменению количества заряда, собираемого в единицу времени на поверхностях второго и третьего электродов, расположенных на пути пучка заряженных частиц.
Ионы образуются при стационарном газовом разряде, который возникает в газовом промежутке, в области максимальной напряженности электрического поля - у поверхности первого электрода, обращенной ко второму и третьему электродам. Разряд, возникающий при высоком напряжении у поверхности электрода с малым радиусом кривизны, в данном случае у первого электрода из тонкой проволоки, называется коронным разрядом или короной. Электрод, у которого возникает коронный разряд, принято называть коронирующим электродом.
Образованные при разряде, ионы двигаются в электрическом поле по направлению ко второму и третьему электродам (к этой паре электродов) и, при соприкосновении с ними, отдают им свой заряд.
Соотношение между величинами зарядов, собираемых на втором и на третьем электродах в единицу времени, определяется как взаимным расположением электродов, так и траекторией движения ионов.
Электроды расположены так, что в отсутствии акустических колебаний, на второй и на третий электроды попадает одинаковое количество ионов в единицу времени, поэтому на каждом из них собирается одинаковый заряд.
Если имеют место акустические колебания, распространяющиеся, в том числе, и в газовом промежутке, в поперечном электрическому полю направлении, то на направленное движение частиц - ионов по полю накладывается их колебательное движение как переносчиков (наравне с молекулами) этих акустических колебаний. Скорость направленного движения ионов по полю значительно превышает скорость звука. При этом траектория движения ионов периодически меняет направление с частотой акустических колебаний.
При изменении траектории движения, изменяется количество ионов, достигающих второго и третьего электрода, и, соответственно, изменяется количество заряда, собираемого на каждом из них в единицу времени. Эти изменения происходят с частотой акустических колебаний. С ростом амплитуды акустических колебаний, увеличивается отклонение траектории движения ионов, и, соответственно, увеличивается изменение количества собираемого заряда на каждом из электродов за единицу времени.
Собранные на электродах заряды перемещаются к соответствующим им выводам капсюля.
В результате - изменение количество заряда, перемещаемого в единицу времени как ко второму, так и третьему выводам капсюля (и отводимого от них в реальной схеме включения во внешнюю, по отношению к капсюлю, электрическую цепь) также происходит с частотой акустических колебаний. Изменение количества заряда, перемещаемого за единицу времени через второй и третий выводы капсюля, представляет собой выходные токи капсюля через эти выводы.
В совокупности, молекулы газов воздушной среды и ионы, образованные их них - это та упругая среда, в которой распространяются акустические колебания, а колебательные движения пучка ионов (вместе с молекулами) и
есть, по сути, акустические колебания. Следовательно, уменьшение частоты акустических колебаний никак не может повлиять ни на описанный выше механизм преобразования их в электрические колебания, ни на величину коэффициента этого преобразования. Поэтому в отличие от известного устройства, частотный диапазон предлагаемого устройства расширяется в области низких частот до нуля Гц.
Большое значение имеет диаметр проволоки первого электрода. При увеличении диаметра возрастает ток короны, другими словами ток пучка заряженных частиц между электродами, однако увеличивается и напряжение, требуемое для возникновения короны у поверхности первого электрода. Желательно, чтобы диаметр проволоки не превышал 2 мм.
Второй и третий электроды могут быть выполнены, например, в виде прямоугольников одинаковых размеров.
Диэлектрический зазор между вторым и третьим электродами может быть воздушным.
Для увеличения тока пучка, с целью увеличения выходных токовых сигналов капсюля, можно ввести дополнительный коронирующий электрод и по другую сторону пары второго и третьего электродов - пластин, отделить его от этой пары дополнительным газовым промежутком и подключить его к первому выводу капсюля. При этом корона будет у поверхностей двух электродов - первого и дополнительного, а в сторону второго и третьего электродов будут направлены два пучка заряженных частиц.
С той же целью можно увеличить количество дополнительных коронирующих электродов, расположить их в непосредственной близости друг от друга, или выполнить их, например, в виде замкнутых, концентрично расположенных в одной плоскости витков, подключенных к первому выводу капсюля. Эти дополнительные витки можно располагать группами как с одной стороны пары второго и третьего электродов - пластин, так и с двух. Дополнительные коронирующие электроды могут иметь, в общем случае,
разное по величине высокое напряжение, а поэтому могут быть подключены и к соответствующим им дополнительным выходам капсюля
Увеличение выходных токовых сигналов капсюля можно добиться введением пары дополнительных плоских электродов (двух дополнительных электродов), расположенных по другую сторону от первого - коронирующего электрода и отделенных от него дополнительным газовым промежутком. Дополнительные электроды отделены друг от друга дополнительным диэлектрическим зазором. Один из этих дополнительных электродов подключается ко второму выводу капсюля, другой - к третьему. При этом появится второй пучок заряженных частиц, направленный от первого электрода к паре дополнительных электродов - пластин. В общем случае эти дополнительные электроды могут быть подключены и к соответствующим им дополнительным, а не ко второму и третьему выводам капсюля. Кроме того, для увеличения тока обоих пучков заряженных частиц, количество коронирующих электродов также может быть увеличено.
Использование в заявляемом капсюле одной пары - второго и третьего плоских прямоугольных электродов, позволяет регистрировать акустические колебания, распространяющиеся в плоскости, параллельной плоскостям второго и третьего электродов, по направлению от второго электрода к третьему или наоборот. При этом чувствительность капсюля будет зависеть от величины угла между направлением распространения колебаний и диэлектрическим зазором между вторым и третьим электродами. Максимальная чувствительность капсюля будет тогда, когда акустические колебания распространяются в направлении перпендикулярном диэлектрическому зазору. Если же акустические колебания распространяются в направлении параллельном диэлектрическому зазору, они не регистрируются, поскольку при этом не изменяется количество заряда, собираемого на втором и третьем электродах за единицу времени. Для того, чтобы регистрировать акустические колебания, распространяющиеся в любом направлении в плоскости параллельной
плоскостям второго и третьего электродов, достаточно ввести по меньшей мере один плоский дополнительный электрод, расположенный рядом со вторым и третьим электродами и отделенный от них дополнительным диэлектрическим зазором. Этот дополнительный электрод подключается к соответствующему ему дополнительному выводу капсюля.
Аналогично выше описанному, вместо пары плоских дополнительных электродов расположенных по другую сторону от первого - коронирующего электрода и отделенных от него дополнительным газовым промежутком, можно ввести три и более плоских электрода, отделенных друг от друга дополнительными диэлектрическими зазорами и подключенными к соответствующим им дополнительным выводам капсюля.
Каждый из плоских дополнительных электродов, в зависимости от применения капсюля, могут быть подключен либо ко второму, либо к третьему, либо к соответствующему ему дополнительному выводу капсюля.
При работе капсюля, коронный разряд используется для получения свободных электронов. При столкновении электронов с нейтральными молекулами образуются электроотрицательные ионы, которые, как и свободные электроны, двигаются также ко второму и третьему электродам. Свободные электроны могут быть получены и другим путем, например, в результате процессов термоэмиссии или фотоэмиссии. В этих случаях в качестве первого электрода используется термокатод или фотокатод.
На фиг.1 представлено расположение элементов конструкции заявляемого капсюля.
На фиг.2 представлена функциональная схема прибора - микрофона, содержащего в своем составе заявляемый капсюль.
На фиг.3 представлена схема включения операционного усилителя.
На фиг.4 показаны области сбора заряженных частиц на втором и третьем электродах заявляемого капсюля.
Микрофонный капсюль содержит: первый электрод 1, подключенный к первому выводу 2 капсюля, и отделенный газовым промежутком 3 от второго и третьего электродов 4, 5. Второй электрод 4 подключен ко второму выводу 6. Третий электрод 5 подключен к третьему выводу 7. Второй электрод 4 отделен диэлектрическим зазором 8 от третьего электрода 5.
Первый электрод 1 может быть выполнен, например, в виде замкнутого витка из проволоки, прямоугольной или квадратной рамки из проволоки. В данном случае рассматривается короткозамкнутый виток из проволоки. Проволока с гладкой полированной поверхностью. Плоскость, в которой расположен первый электрод 1, параллельна плоскости, в которой расположены второй и третий электроды 4, 5.
Второй и третий электроды 4, 5 могут быть выполнены из проводящей пленки, фольги или металлической пластины прямоугольной, квадратной, или иной другой формы. В данном случае рассматривается электроды в форме квадрата из фольги, отделенные друг от друга воздушным диэлектрическим зазором 8, фиг.1.
Капсюль является составной частью микрофона, включающего: источник 9 постоянного напряжения, первый преобразователь 10 ток - напряжение, второй преобразователь 11 ток - напряжение, первый интегратор 12, второй интегратор 13, вычитатель 14 аналоговых сигналов, выход 15 прибора-микрофона.
Первый вывод 2 капсюля подключен к первому выводу источника 9 постоянного напряжения. Второй вывод источника 9 постоянного напряжения подключен к общей точке всех блоков - к земле. Выводы 6 и 7 капсюля последовательно, через преобразователи 10 и 11 ток - напряжение и интеграторы 12 и 13 подключены к входам вычитателя 14 аналоговых сигналов, выход которого подключен в выходу 15 прибора - микрофона, фиг.2.
В качестве преобразователей 10 и 11, могут быть использованы преобразователи ток - напряжение на основе операционных усилителей [Под
ред. Коннели Дж. Аналоговые интегральные схемы Пер. с англ. Под ред. Гальперина М.В. М., Мир 1977 с.171-172]. Схема включения операционного усилителя показана на фиг.3 и включает: операционный усилитель 16 (ОУ),  инвертирующий вход 17 ОУ, неинвертирующий вход 18 ОУ, сопротивление обратной связи 19 R1, дополнительное сопротивление 20 R2.
Токовый сигнал подается на инвертирующий вход 17 ОУ. Неинвертирующий вход 18 ОУ заземлен и имеет нулевой потенциал, поэтому напряжение на инвертирующем входе, т.е. на входе преобразователя ток - напряжение также равно нулю. Выходом преобразователя является выход 21 ОУ. Дополнительное сопротивление 20 R2 предназначено для компенсации влияния входных токов ОУ на величину выходного напряжения и обычно устанавливается только при работе с ОУ, имеющими на входах биполярные транзисторы. В любом случае, напряжение на неинвертирующем и инвертирующем входах 17, 18 ОУ мало отличается от нуля вольт и обычно (в инженерной практике) считается равным нулю.
В качестве интеграторов 12 и 13 могут быть использованы простые RC - цепи, либо классические активные фильтры нижних частот на основе ОУ [Под ред. Коннели Дж. Аналоговые интегральные схемы: Пер. с англ. Под ред. Гальперина М.В. М., Мир 1977 с.194-195].
В качестве вычитателя 14 аналоговых сигналов может быть использован разностный усилитель на основе ОУ [Достал И. Операционные усилители: Пер. с англ. Под ред. Гальперина М.В. М., Мир, 1982, с.193-194].
Коэффициенты преобразования блоков 10 и 11 равны по величине между собой. Коэффициенты преобразования блоков 12 и 13 также равны по величине между собой.
При пояснении работы заявляемого капсюля, под длиной газового промежутка 3, будем понимать расстояние между первым электродом 1 и диэлектрическим зазором 8, отделяющим второй электрод 4 от третьего электрода 5.
Заявляемый капсюль и прибор - микрофон, содержащий этот капсюль, работают следующим образом.
На первый электрод капсюля 1 с первого вывода источника постоянного напряжения 9 подается высокое напряжение отрицательной полярности относительно пары второго и третьего электродов 4 и 5, фиг.2. При длине газового промежутка примерно 10-12 сантиметров и напряжении на первом электроде порядка 30-35 киловольт, у поверхности первого электрода 1 возникает коронный разряд, так называемая отрицательная корона [Александров Г.Н. Коронный разряд на линиях электропередачи, М., Энергия, 1964, с.9-72, Долгинов А.И. Техника высоких напряжений в электроэнергетике, М., 1968, с.165-182]. При определенной напряженности электрического поля у первого электрода 1, имеет место так называемая "общая корона". При этом коронирует вся поверхность первого электрода-катода 1, обращенная в сторону пары второго и третьего 4, 5 электродов-анодов в данном случае.
Электроны, образованные при коронном разряде, под воздействием сил электрического поля перемещаются ко второму и третьему электродам 4, 5. При этом большая часть электронов "прилипает" к нейтральным молекулам и образует так называемые отрицательные ионы, которые движутся в том же направлении, что и электроны.
Отрицательно заряженные частицы (ионы и электроны) собираются на втором и третьем электродах 4, 5 и передают им свой заряд. Конфигурация областей сбора заряда на втором и третьем электродах 4, 5 зависит от диаметра первого электрода (диаметра витка полированной проволоки) и длины газового промежутка. Например, при диаметре витка первого электрода 1 примерно 4 сантиметра и малой длине газового промежутка, порядка 4-5 сантиметров, области сбора отрицательно заряженных частиц на втором и третьем 4, 5 электродах имеют вид полуколец с размытыми краями. При малых межэлектродных расстояниях напряжение появления общей короны близко по величине к напряжению пробоя газового (в данном случае
воздушного) промежутка. Поэтому на практике, для получения стабильной "общей короны", длина газового промежутка выбирается значительно больше. При увеличении длины промежутка, области сбора заряда на втором и третьем 4, 5 электродах расширяется как с внешней, так и с внутренней стороны и превращается в сплошные области 22, 23, каждая из которых имеет вид полукруга фиг.4. Кроме того, при увеличении длины промежутка примерно до 10 сантиметров и более, практически все электроны прилипают к нейтральным молекулам с образованием отрицательных ионов.
Сбор заряда на втором и третьем электродах 4, 5 - анодах приводит к появлению на них электрического тока. Электрические токи протекают между областями сбора зарядов на втором и третьем 4, 5 электродах и выводами 6, 7 капсюля, т.е. между областью сбора 22 и выводом 6, а также между областью сбора 23 и выводом 7, фиг.4.
Токовые сигналы с выводов 6 и 7 капсюля поступают на входы преобразователей 10 и 11 ток - напряжение, соответственно, фиг.2. С выходов преобразователей 10 и 11 ток - напряжение сигналы напряжения поступают соответственно на входы первого и второго интеграторов 12 и 13. Токовые сигналы, поступающие на входы преобразователей 10 и 11 ток - напряжение, имеют импульсный характер и в общем случае статистически распределены во времени. Эти импульсы известны как импульсы Тричела. Интеграторы 12 и 13 необходимы для сглаживания импульсных выходных напряжений преобразователей 10 и 11 ток - напряжение. Оптимальная величина  постоянной времени интегрирования интеграторов 12 и 13 лежит в пределах приблизительно от 1 мс до 10 мс.
Электроды капсюля 1, 4 и 5 расположены так, что в отсутствии акустических колебаний, на второй и третий электроды 4 и 5 попадает одинаковое количество ионов пучка в единицу времени. Области сбора ионов 22 и 23 на втором и третьем электродах 4 и 5 одинаковы по величине, и на каждом из них собирается одинаковый заряд, фиг.4. В этом случае на единичном интервале времени суммарные заряды импульсов токов,
втекающих в каждый из преобразователей 10 и 11 ток - напряжение равны между собой, а также равны между собой сигналы напряжений на выходах первого и второго интеграторов 12 и 13, фиг.2. Причем выходные сигналы первого и второго интеграторов 12 и 13 пропорциональны суммарным зарядам импульсов токов, втекающим в единицу времени соответственно в преобразователи 10 и 11 ток - напряжение. Сигналы с выходов интеграторов 12 и 13 поступают на входы вычитателя 14 аналоговых сигналов, фиг.2. В данном случае выходной сигнал вычитателя 14 равен нулю. Напряжение на выходе 15 прибора - микрофона также равно нулю.
Рассмотрим случай, когда имеет место звуковые волны. Пусть эти волны распространяются, в том числе, и в газовом промежутке 3 по направлению от третьего электрода 5 ко второму электроду 4 или наоборот, фиг.2, фиг.4.
В этом случае под воздействием колебательных движений воздуха в газовом промежутке 3, поток заряженных частиц (ионов и электронов), двигающихся ко второму и третьему электродам 4 и 5, будет отклоняться от своего исходного направления, которое было в отсутствие звуковых волн.
При отклонении потока частиц, области сбора заряда 22 и 23 этих частиц на втором и третьем электродах 4 и 5 будут изменяться по величине. Например, если пучок отклоняется в сторону третьего электрода 4, то область сбора заряда 22 увеличится, а область сбора заряда 23 уменьшится по размерам. Количество собираемого в единицу времени заряда на втором и третьем электродах 4 и 5 также будет изменяться. Изменятся, следовательно, и токи, втекающие в преобразователи 10 и 11 ток - напряжение, фиг.2. Это вызовет изменение напряжений на выходах интеграторов 12 и 13, фиг.2. На выходе вычитателя 14 аналоговых сигналов и выходе прибора - микрофона появятся колебания электрического напряжения с частотой, равной частоте акустических колебаний воздуха в газовом промежутке 3.
В совокупности, молекулы газов воздушной среды и ионы, образованные из них, - это та упругая среда, в которой распространяются акустические колебания, а колебательные движения пучка ионов (вместе с молекулами)
есть, по сути, акустические колебания. Поэтому, как бы не уменьшалась частота акустических колебаний (в пределе до нуля Гц), синхронно, с частотой колебаний воздуха в газовом промежутке 3 будет происходить отклонение (по сути, колебание) потока заряженных частиц, двигающихся ко второму и третьему электродам 5 и 6 и, как следствие, синхронно будут изменяться выходные - токовые сигналы на выводах 6 и 7 заявляемого капсюля. Если при этом амплитуда регистрируемых акустических колебаний постоянна, то и амплитуда выходных сигналов заявляемого капсюля (работающего в составе микрофона) также будет постоянной, и не будет зависеть от частоты акустических колебаний. Поэтому, в отличие известного устройства, в заявляемом устройстве частотный диапазон в области низких частот расширяется до нуля Гц.
Испытанный в лабораторных условиях, действующий макет заявляемого капсюля имеет практически плоскую амплитудно-частотную характеристику (АЧХ) в диапазоне низких частот от нуля Гц до 100 Гц с неравномерностью, не превышающей 0,5 Дб в виде спада АЧХ в верхней части указанного диапазона. В качестве источника возмущения нулевой частоты использовался стационарный поток воздуха, в который помещался капсюль.