АКУСТИЧЕСКИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

Предлагаемый акустический преобразователь относится к области электроакустики и может быть использован как составная часть микрофонов и приборов, применяемых в научных и производственных целях, в том числе в сейсмологии и медицине, для измерения акустических колебаний и промышленных шумов сверхнизких частот.
Известные преобразователи (именуемые также капсюлями), используемые в микрофонах и приборах, по принципу действия делятся на конденсаторные, пьезоэлектрические, электродинамические, электромагнитные и угольные.
Действие угольного преобразователя (капсюля) [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. Преобразователь характеризуется большой нестабильностью работы, шумом, значительными нелинейными искажениями и ограниченным частотным диапазоном со стороны низких частот.
Действие электромагнитного и электродинамического преобразователей [Иофе В.К., Корольков В.Г., Сапожков М.А. Справочник по акустике М., Связь, 1979, с.91-92, 112-121] основано на возникновении в катушке переменного напряжения при изменении магнитного потока через ее витки. Изменение магнитного потока происходит при колебаниях диафрагмы под действием звукового давления. В этих преобразователях величина выходного сигнала пропорциональна скорости колебательного движения диафрагмы, что ведет к уменьшению чувствительности и ограничению частотного диапазона со стороны низких частот.
В пьезоэлектрическом преобразователе [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 низких частот.
Электростатический (конденсаторный) преобразователь [патент РФ №2114519, МПК H04R 19/00. Дата публикации 1998.06.27] содержит основание, на котором расположен неподвижный электрод, и натянутый на основание подвижный электрод, выполненный, по меньшей мере, из одной внутренней металлизированной пленки и наружной защитной пленки, закрепленных по периметрам. Кроме того, преобразователь содержит штуцер с капилляром, установленный в основании и соединенный проточкой с концентрическими кольцевыми канавками неподвижного электрода.
Штуцер с капилляром предназначен для того, чтобы постоянное давление воздуха в газовом промежутке равнялось атмосферному давлению. Подвижный и неподвижный электроды разделены газовым (воздушным) промежутком и образуют электрический конденсатор. Под воздействием звуковых колебаний, подвижный электрод преобразователя (часто называемый мембраной) отклоняется от исходного положения, что приводит к изменению заряда на пластинах (электродах) конденсатора.
Недостатком преобразователя является ограниченный диапазон рабочих частот со стороны низких частот. Это объясняется следующим. Величина смещения мембраны относительно исходного положения зависит от разности давлений по обе стороны этого подвижного электрода, а именно, изнутри - со стороны газового промежутка между электродами и снаружи - со стороны источника акустических колебаний, находящегося в атмосфере. Наличие штуцера с капилляром, соединяющим газовый промежуток между электродами с атмосферой, приводит к тому, что при уменьшении частоты акустических колебаний постоянной амплитуды (т.е. при уменьшении скорости изменения звукового давления) разность давлений на мембрану уменьшается из-за частичного выравнивания давлений, действующих на нее.
Поэтому уменьшение частоты регистрируемых акустических колебаний ведет к уменьшению амплитуды колебаний мембраны, а следовательно, и к уменьшению изменения заряда на электродах преобразователя-конденсатора.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является акустический преобразователь - капсюль микрофона [патент РФ на полезную модель №63158, МПК Н04R 23/00. Дата публикации 10.05.2007], содержащий два электрода и, по меньшей мере, три вывода, причем первый электрод отделен от второго электрода газовым промежутком, первый вывод подключен к первому электроду, а другие выводы подключены ко второму электроду.
Конструкция преобразователя позволяет преобразовать отклонения пучка заряженных частиц, вызванные акустическими колебаниями, в электрические колебания величины зарядов, поступающих в единицу времени на выводы устройства, подключенные ко второму электроду. Это позволяет расширить частотный диапазон преобразователя в области низких частот до нуля Гц.
Первый электрод преобразователя при работе находится под высоким напряжением отрицательной полярности, а второй электрод имеет низкий потенциал (в идеале нулевой), что обеспечивается низким (в идеале нулевым) сопротивлением между выводами второго электрода и землей.
Ионы образуются при стационарном газовом разряде, который возникает в газовом промежутке, в области максимальной напряженности электрического поля - у поверхности первого электрода, обращенной ко второму электроду. Разряд, возникающий при высоком напряжении у поверхности электрода с малым радиусом кривизны, в данном случае у первого электрода, выполненного в виде витка из тонкой проволоки, называется коронным разрядом или короной. Электрод, у которого возникает коронный разряд, принято называть коронирующим электродом. Образованные при разряде электроны "прилипают" к нейтральным молекулам газа с образованием электроотрицателых ионов, которые
движутся в электрическом поле ко второму электроду и, при соприкосновении с ним, отдают ему свой заряд.
Положение области сбора заряда ионов на втором электроде определяется как взаимным расположением электродов, так и траекторией движения ионов в электрическом поле между электродами. 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 ионов, область сбора заряда ионов на втором электроде также изменяет свое положение с частотой акустических колебаний. Величина смещения этой области от исходного положения увеличивается с ростом амплитуды акустических колебаний.
Электрическое сопротивление между областью сбора заряда и участком второго электрода, к которому подключен соответствующий вывод преобразователя, тем меньше, чем ближе область сбора заряда находится к этому участку. Поэтому больший заряд за единичный интервал времени переместится в тот вывод преобразователя, чей участок подключения на втором электроде оказался ближайшим к области сбора заряда. В результате, изменение количества заряда, перемещаемого к указанным выводам преобразователя (и отводимого от них в реальной схеме включения во внешнюю, по отношению к преобразователю, электрическую цепь), также происходит с частотой акустических колебаний. Изменение количества заряда, перемещаемого за единицу времени через соответствующий вывод капсюля, представляет собой выходной ток через этот вывод. Выходные сигналы преобразователя являются токовыми. Описанный преобразователь имеет линейную характеристику коэффициента преобразования.
Недостатком описанного известного преобразователя является низкая чувствительность.
Чувствительность в данном случае определяется как отношение изменения амплитуды выходных токовых сигналов к изменению амплитуды гармонических акустических колебаний. Так как известный преобразователь имеет линейную характеристику коэффициента преобразования, его чувствительность равна отношению амплитуды выходных токовых сигналов к амплитуде гармонических акустических колебаний.
Чувствительность известного преобразователя, работа которого основана на использовании эффекта отклонения пучка заряженных частиц акустическими колебаниями среды, зависит только от величины тока пучка заряженных частиц, собираемых на втором электроде.
Низкая чувствительность этого преобразователя обусловлена малой величиной тока пучка заряженных частиц, собираемых на втором электроде преобразователя. Ток пучка частиц зависит от величины высокого напряжения на первом - коронирующем электроде. При увеличении напряжения, растет ток короны, а следовательно, растет и величина выходных сигналов и чувствительность преобразователя, но максимально допустимая величина высокого напряжения всегда ограничена напряжением электрического пробоя газового промежутка между электродами.
Задача настоящей полезной модели состоит в увеличении чувствительности акустического преобразователя.
Поставленная задача решается тем, что акустический преобразователь, содержащий два электрода, и, по меньшей мере, три вывода, причем первый электрод отделен от второго электрода газовым промежутком, первый вывод подключен к первому электроду, а другие выводы подключены ко второму электроду, снабжен, по меньшей мере, одним дополнительным электродом, который расположен относительно второго электрода с той же стороны, что и первый электрод, отделен соответствующим ему дополнительным газовым
промежутком от второго электрода и подключен к первому выводу преобразователя.
Предлагаемые изменения конструкции, а именно - снабжение преобразователя, по меньшей мере, одним дополнительным - коронирующим электродом, который расположен относительно второго электрода с той же стороны, что и первый электрод, отделен соответствующим ему дополнительным газовым промежутком от второго электрода и подключен к первому выводу преобразователя, позволяют увеличить суммарный ток заряженных частиц, собираемых на втором электроде без электрического пробоя в газе. Чем больше суммарный ток заряженных частиц, тем больше токи, протекающие от области сбора заряда к тем выводам преобразователя, которые подключены к его второму электроду. Следовательно, при неизменной амплитуде акустических колебаний, увеличивается амплитуда колебаний токов через указанные выводы преобразователя, то есть увеличивается чувствительность акустического преобразователя.
На фиг.1 представлено расположение элементов конструкции заявляемого акустического преобразователя.
На фиг.2 показана область сбора заряженных частиц на втором электроде.
Преобразователь содержит: первый электрод 1, подключенный к первому выводу 2 преобразователя, и отделенный газовым промежутком 3 от второго электрода 4. Второй электрод 4 преобразователя участком 5 подключен ко второму выводу 6, а участком 7 подключен к третьему выводу 8. Первый дополнительный электрод 9 расположен относительно второго электрода 4 с той же стороны, что и первый электрод 1, подключен к первому выводу 2 преобразователя и отделен первым дополнительным газовым промежутком 10 от второго электрода 4. Второй дополнительный электрод 11 расположен относительно второго электрода 4 с той же стороны, что и первый электрод 1, подключен к первому выводу 2 преобразователя и отделен вторым дополнительным газовым промежутком 12 от второго
электрода 4. Третий дополнительный электрод 13 также расположен относительно второго электрода 4 с той же стороны, что и первый электрод 1, подключен к первому выводу 2 преобразователя и отделен третьим дополнительным газовым промежутком 14 от второго электрода 4 преобразователя.
Первый электрод, а также дополнительные электроды могут быть выполнены из проволоки, например, в виде замкнутого витка, квадратной или прямоугольной рамки, или иной другой формы. В данном случае рассматриваются короткозамкнутые витки из проволоки. Проволока с гладкой полированной поверхностью.
Второй электрод, с целью повышения электрического сопротивления между участками, к которым подключаются выводы преобразователя, желательно выполнить из тонкого материала, например, из проводящей пленки или тонкой фольги. Он может быть выполнен в форме круга, квадрата или иной другой формы, В данном случае рассматривается электрод из тонкой фольги в форме круга.
Заявляемый акустический преобразователь работает следующим образом.
Первый вывод 2 преобразователя подключен к выходу источника постоянного напряжения (на фиг.1 не показан).
На первый 1, первый дополнительный 9, второй дополнительный 11 и третий дополнительный 13 электроды от источника напряжения подается высокое напряжение отрицательной полярности.
Второй электрод 4 имеет низкий потенциал (в идеале нулевой), что обеспечивается низкими (в идеале стремящимися к нулю) сопротивлениями между выводами второго электрода и землей. Это могут быть сопротивления резисторов (на фиг.1 не показан), на которых при протекании тока падает напряжение по величине на порядки меньшее, чем высокое напряжение на коронирующих электродах, либо активные преобразователи ток-напряжение
(на фиг.1 не показаны) на основе операционных усилителей, имеющих очень низкое (доли Ома) входное сопротивление.
Ионы образуются при стационарном газовом - коронном разряде, который возникает у поверхностей первого 1, первого дополнительного 9, второго дополнительного 11, а также третьего дополнительного 13 электродов, обращенных ко второму электроду 4. При этом коронируют поверхности каждого из этих электродов, обращенные в сторону плоскости второго электрода 4.
Образованные при коронном разряде электроны "прилипают" к нейтральным молекулам газа с образованием электроотрицателых ионов, которые движутся в электрическом поле ко второму электроду и, при соприкосновении с ним, отдают ему свой заряд.
При рассмотрении электрического тока в газе, можно говорить как о нескольких пучках заряженных частиц (в данном случае о четырех, по количеству коронирующих электродов 1, 9, 11 и 13), так и об одном общем или суммарном пучке заряженных частиц.
Конфигурация области сбора заряженных частиц на втором электроде 4 (аноде) зависит от геометрии коронирующих электродов 1, 9, 11 и 13 (катодов), их взаимного расположения и расстояния до второго электрода 4. В данном конкретном случае, когда расстояние от коронирующих электродов до второго электрода 4 превышает их диаметр более чем в два-три раза, область сбора частиц 17 на поверхности второго электрода 4 имеет (напоминает) форму, показанную на фиг.2, с размытыми границами. Размытие границ области обусловлено расширением пучков заряженных частиц при их движении ко второму электроду 4.
Положение области сбора заряда ионов 17 на втором электроде 4, фиг.2, определяется как взаимным расположением электродов, так и траекторией движения ионов в электрическом поле между электродами.
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 ионов, область сбора заряда ионов на втором электроде также изменяет свое положение с частотой акустических колебаний. Величина смещения этой области от исходного (при отсутствии колебаний) положения увеличивается с ростом амплитуды акустических колебаний.
Собранный на втором электроде, заряд перемещается к его участкам 5 и 7, фиг.2, которые подключены к соответствующим им выводам 6 и 8 преобразователя, и далее перемещается к этим выводам.
Совокупность движущихся заряженных частиц-ионов является, по сути, генератором тока по отношению ко второму электроду. В любом электрическом устройстве большая часть тока генератора протекает по той цепи, подключенной к генератору, которая имеет меньшее электрическое сопротивление. Электрическое сопротивление между областью сбора заряда и участком второго электрода, к которому подключен соответствующий вывод преобразователя, тем меньше, чем ближе область сбора заряда находится к этому участку. Поэтому больший заряд за единичный интервал времени переместится в тот вывод преобразователя, чей участок подключения на втором электроде оказался ближайшим к области сбора заряда. Например, если в данный интервал времени область сбора заряженных частиц на втором электроде ближе к его участку 5, фиг.2, то и заряд, протекающий к выводу преобразователя 6, больше, а заряд, протекающий к выводу преобразователя 8, меньше, чем заряд, протекающий к выводам 6 и 8 в отсутствии акустических колебаний. Суммарный же заряд, протекающий через выводы 6 и 8, не меняется.
В результате, изменение количества заряда, перемещаемого к указанным выводам преобразователя, (и отводимого от них в реальной схеме включения во внешнюю, по отношению к преобразователю, электрическую цепь) также происходит с частотой акустических колебаний. Изменение количества заряда, перемещаемого за единицу времени через соответствующий вывод преобразователя, представляет собой выходной ток через этот вывод.
В отличие от известного устройства, благодаря наличию дополнительных коронирующих электродов, расположенных относительно второго электрода с той же стороны, что и первый электрод, создается больший суммарный ток заряженных частиц, движущихся ко второму электроду. Чем больше этот ток, тем больше токи, протекающие от области сбора заряда к тем выводам преобразователя, которые подключены к его второму электроду. Следовательно, при неизменной амплитуде акустических колебаний увеличивается амплитуда колебаний токов через указанные выводы преобразователя, то есть увеличивается его чувствительность.
Дополнительные коронирующие электроды, с таким же техническим результатом, можно расположить относительно второго электрода не с той же стороны, что и первый электрод, а с противоположной стороны второго электрода. Однако, их расположение со стороны первого электрода имеет свои преимущества. В этом случае конструкция преобразователя проще, технологичнее и дешевле. Кроме того, подача высокого напряжения (при работе преобразователя) на коронирующие электроды, которые расположены только со стороны первого электрода, технически проще и дешевле.
Таким образом, увеличение чувствительности акустического преобразователя достигается снабжением преобразователя, по меньшей мере, одним дополнительным электродом, который расположен относительно второго электрода с той же стороны, что и первый электрод, отделен соответствующим ему дополнительным газовым промежутком от второго электрода и подключен к первому выводу преобразователя.