КОНТАКТНЫЙ ДАТЧИК ВИБРАЦИЙ

Заявляемая полезная модель относится к технике приемников сейсмических сигналов (вибраций) (класс МПК: G01V 1/16), в частности - к технике геофонов (класс МПК: 1/18), а также к технике приема акустических сигналов, распространяющихся в плотной, практически несжимаемой среде (твердые тела, например, кости), мягкие ткани, например, человек), в том числе к пьезоэлектрическим контактным микрофонам (МПК: H04R 17/00, 17/02).
Известны аналоги заявляемой полезной модели. Одним из них является электроакустический преобразователь акустических сигналов, распространяющихся через кости человека (патент Англии №2246015 от 18.06.1994, МПК: H04R 1/46, приоритет - Япония, заявка №2 - 107689 от 22.06.90, «Электроакустический преобразователь с костной проводимостью», выданный фирме «Matsushita Electronic Industrial Co»). В этом патенте пьезоэлектрический датчик на биморфном пьезоэлектрическом капсюле встроен в кресло оператора на уровне затылка и воспринимает звуки, создаваемые оператором, когда его затылок плотно прижат к спинке кресла, т.е., когда затылок контактирует с электроакустическим преобразователем (с капсюлем электроакустического преобразователя).
Недостатками этого аналога являются:
- недостаточная эргономичность - требование плотного прижатия затылка оператора к спинке кресла, т.е. к капсюлю;
- необходимость подгонки установки датчика по высоте спинки кресла, чтобы датчик и затылок находились на одной высоте от уровня сиденья;
- невозможность использования электроакустического преобразователя для приема акустических сигналов в контакте с другими частями тела оператора (с гортанью, шеей, грудной клеткой);
- невозможность использования электроакустического преобразователя для приема вибраций сейсмического характера, т.е. в режиме геофона: сейсмоколебания расположены в низкочастотной части диапазона (единицы герц), а акустические сигналы оператора в более высокой части диапазона (сотни Гц - килоГц).
Другим аналогом заявляемой полезной модели является «Съемник вибраций, предаваемых через кости», описанный в патенте США №4596903, класс НПК 179-121 (класс МПК - H04R 17/02), выданный японской фирме «Pilot-Mak-Nen Hitsu К.К.» В этом аналоге биморфный элемент - капсюль в виде консоли заключен в герметичный корпус, выполненный по форме и размерам так, что пригоден для установки в ушной канал среднего уха оператора. При такой установке плотно прилегает к стенкам ушного канала и воспринимает звуки, распространяющиеся в костных тканях головы оператора. Жидкость, заполняющая корпус полностью, т.е. весь его объем, передает звуки на капсюль (биморфный пьезоэлемент) и одновременно подавляет резонансную чувствительность на частотах в области 1500 Гц, обеспечивая добротность системы Q=0,3. Недостатками аналога являются:
- недостаточная эргономичность - невозможность использования датчика на других частях тела оператора (только в ушном канале);
- невозможность использования в иных условиях (вне тела человека), в том числе в качестве геофона. Этому же препятствует частотный диапазон датчика - невосприимчивость к вибрациям в диапазоне нескольких Гц.
Еще одним аналогом является «Магнитогидродинамический геофон» (патент США №4583207; НПК - 367-208, МПК: G01V 1/18, выданный гражданину США S.G.Groer). Этот геофон устанавливается в грунт остроконической частью корпуса для восприятия сейсмических вибросигналов. Недостатком этого аналога является невозможность приема вибрационных сигналов акустического диапазона, распространяющихся в тканях оператора (костях, мышцах шеи и т.п.) из-за невозможности установки геофона на теле оператора.
Всем вышеперечисленным аналогам свойственен тот недостаток, что они воспринимают либо высокие частоты диапазона человеческого голоса: несколько сотен Гц - несколько килоГц, либо только низкие частоты: несколько Гц.
Известен также капсюль, разработанный кафедрой общей и неорганической химии Ростовского Государственного Университета «КМ-2000», технические условия «ММ-06.2000». Этот капсюль, выполненный на основе объемной пьезокерамики, обладает весьма высокой виброчувствительностью в диапазоне частот от нескольких Гц до нескольких кГц, а его диаграмма направленности чувствительности не имеет преимущественного направления, поэтому при установке не требуется ориентирования капсюля в пространстве.
Максимально близким аналогом (прототипом) заявляемой полезной модели является сейсмодатчик «ДСВ-1» (геофон). В этом геофоне в корпусе с жестко соединенной с ним крышкой, установлен капсюль электродинамический - как катушечный, в котором виброэлектрический преобразователь выполнен в виде катушки, установленной в корпусе на плоских немагнитных пружинах в магнитной цепи, создающей радиально направленное магнитное поле, силовые линии которого пересекают витки катушки. Эти катушка и магнитная цепь образуют виброчувствительный виброэлектрический преобразователь, при воздействии на геофон на его вибрационную часть в виде остроконического штыря, выполненного за одно целое с корпусом вибраций, направление которых в основном совпадает с продольной осью геофона, катушка совершает колебания вдоль продольной оси геофона относительно его корпуса и в ее витках возбуждается ЭДС индукции, величина которой пропорциональна амплитуде колебаний, потоку сцепления магнитной индукции с катушкой, а частота равна частоте колебаний катушки (частоте сейсмических вибраций).
Для установки в грунт корпус датчика имеет конический штырь, погружаемый в этот грунт.
Прототип имеет следующие недостатки:
- датчик - низкочастотный: доли Герца - несколько Гц. Для приема вибраций звуковых частот датчик не предназначен и непригоден;
- если при установке датчика в рабочее положение его продольная ось отклоняется от вертикали более, чем на 15°, то катушка при приеме вибраций цепляется за части датчика, жестко связанные с грунтом («неподвижные») и вибросигнал либо существенно искажается, либо вовсе не воспринимается;
- у датчика недостаточная надежность из-за того, что пружины подвески катушки в корпусе необратимо деформируются или разрушаются. Увеличение прочности пружин смещает диапазон воспринимаемых частот вверх. К этому же приводит уменьшение массы катушки. Уменьшение массы катушки за счет числа витков приводит, кроме того, к уменьшению чувствительности датчика.
Целью создания заявляемой полезной модели является ликвидация упомянутых недостатков, а именно: повышение надежности, расширение диапазона частот воспринимаемых вибраций (от нескольких Гц до нескольких килоГц, независимость воспринимаемых вибраций от ориентации датчика в пространстве, т.е. от расположения датчика на вибрирующем теле (грунт, любая часть тела оператора) и расположения его контактного узла (органа); кроме того, целью создания данной полезной модели являются минимализация веса и возможность установки на любом участке тела оператора, т.е. универсализация «контактного» датчика вибраций на контактную виброприемную площадку.
Поставленные цели достигаются тем, что контактный датчик вибраций, содержащий корпус, и жестко соединенную с ним крышку, образующие полость, капсюль, установленный в полости корпуса и жестко соединенный с этим корпусом крышкой и содержащий в свою очередь виброчувствительный виброэлектрический преобразователь и усилитель, также жестко соединенные с корпусом, соединительные провода для подведения к капсюлю электрического питания и съема электрического сигнала, в который преобразованы воздействующие на датчик вибрации, отличающийся тем, что виброчувствительный виброэлектрический преобразователь выполнен из объемной пьезоэлектрической керамики и жестко соединен с контактной виброприемной площадкой.
Также выполнение контактного датчика вибраций позволяет использовать его в качестве геофона, а также контактного микрофона, который может быть установлен в любой точке человеческого тела, к которой подходят через ткани звуки человеческого голоса (кости головы - остеофон, ушной микрофон; ткани гортани или шеи - ларингофон, ткани щеки и т.п.). Широкий диапазон частот объемной пьезокерамики позволяет использовать датчик во всех упомянутых случаях без существенных переделок, за исключением устройств крепления или фиксации датчика на теле человека (в том числе на голове, на шее, на груди и т.п.) или на грунте.
Другие цели этого датчика не исследовались. Не исследовались другие возможности и другие способы применения.
Перечень фигур чертежей, поясняющих сущность заявляемой полезной модели:
- контактный датчик вибраций, осевое сечение (капсюль, усилитель и контактная площадка не рассечены).
Заявляемый в качестве полезной модели контактный датчик вибраций состоит из жестко соединенных между собой корпуса 1 и крышки 2. Соединение корпуса 1 и крышки 2 выполнено на резьбе 3. Между корпусом и крышкой жестко зажат капсюль 4. Ко дну 5 капсюля 4 жестко прикреплен усилитель 6, к которому извне подведен кабель 7 с проводами электрического питания усилителя (не показаны) и съема электрического сигнала, созданного при преобразовании вибросигнала в электрический сигнал (не показаны). Кабель 7 через отверстие 8 в корпусе 1 выведен из датчика для подключения к аппаратуре использования сигнала (не показана).
На верхней плоскости 9 капсюля 4 жестко установлена, например, приклеена опорная контактная площадка 10 верхняя плоскость 11 которой плотно контактирует со средой 12, в которой распространяются вибрации. Этой средой 12 может быть либо ткань какого-либо органа человека (кость головы, гортань, шея, грудь и т.п.), либо грунт, в котором распространяются сейсмические вибрации.
Внутри капсюля 4 установлены виброчувствительный виброэлектропреобразователь (не показан), выполненный из объемной пьезокерамики и предусилитель-повторитель (не показан), служащий для согласования высокоомного выхода объемной пьезокерамики со входом усилителя 6 показаны).
Работает заявляемый контактный датчик вибраций следующим образом: вибрации, распространяющиеся в среде 12 переходят из среды 12 через верхнюю плоскость 11, плотно примыкающую к поверхности среды 12, в опорную контактную площадку 10 и через нее переходят в капсюль 4, в котором воздействуют на виброчувствительный электровибропреобразующий элемент (на виброчувствительный виброэлектрический преобразователь) (не показан), который выдает на свой выход электрический сигнал, частота которого равна частоте механических колебаний, воспринятых «контактным датчикам вибраций» из среды 12, и с амплитудой, пропорциональной амплитуде этих механических колебаний. Предварительный усилитель-повторитель (не показан) подает этот электрический сигнал на вход усилителя 6, который усиливает электрический сигнал до нужного уровня и через свой выход и кабель 7, его выходные провода (не показаны) передает на соответствующую аппаратуру.
Виброчувствительный виброэлектрический преобразователь, выполненный из объемной пьезокерамики не имеет преимущественного направления чувствительности и воспринимает и преобразовывает механические вибрации в равной мере, независимо от ориентации преобразующего элемента в пространстве, поэтому датчик чувствителен при любой установке на поверхность среды 12, передающей механические вибрации (на горизонтальной поверхности сверху, на горизонтальной поверхности снизу, на вертикальной или на наклонной поверхности). Датчик не восприимчив к воздушным акустическим колебаниям, а поэтому обладает весьма высокой шумостойкостью (невосприимчив к акустическим сигналам, распространяющимся в воздушной среде), но обладает высокой чувствительностью к сигналам, распространяющимся в плотной среде (ткани человека, грунт и т.п.).
Данная полезная модель внедрена в разработанный заявителем «Контактный датчик вибраций.