КАПСЮЛЬ МИКРОФОНА

Предлагаемый капсюль микрофона относится к электроакустике и может быть использован как составная часть микрофонов, применяемых в научных и производственных целях, в том числе в сейсмологии и медицине, для измерения акустических колебаний и промышленных шумов сверхнизких частот.
Известные капсюли делятся на капсюли угольных, электромагнитных, электродинамических, конденсаторных и пьезоэлектрических микрофонов.
Действие капсюля угольного микрофона [Иофе В.К., Корольков В.Г., Сапожков М.А. Справочник по акустике М., Связь, 1979, с.90-91] основывается 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 диафрагмы звуковым давлением, изменяется сила сжатия угольного порошка и, соответственно, электрическое сопротивление между электродами капсюля. Капсюль характеризуется следующими недостатками - большая нестабильность работы и шум из-за того, что полезный электрический сигнал вырабатывается при разрыве и восстановлении контактов между отдельными зернами порошка (что само по себе является процессом прерывным), значительные нелинейные искажения, пониженную 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 диафрагмы под действием звукового давления. В капсюлях этих микрофонов величина напряжения (на выводах катушек) пропорциональна скорости колебательного движения диафрагмы, 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.
Капсюль конденсаторного микрофона [патент РФ №2114519] 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, капсюль содержит штуцер с капилляром, установленный в основании и соединенный проточкой с концентрическими кольцевыми канавками неподвижного электрода, а пленки подвижного электрода соединены между собой склеиванием с помощью жидкого химически нейтрального полимера.
Штуцер с капилляром предназначен для того, чтобы 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 капсюля (часто называемый мембраной) отклоняется от исходного положения, что приводит к изменению заряда на пластинах (электродах) конденсатора.
Недостатком капсюля является ограниченный диапазон рабочих частот со стороны нижних частот. Это объясняется следующим. Величина смещения подвижного электрода (мембраны) относительно исходного положения (т.е. положения в отсутствие звуковых колебаний) зависит от разности давлений по обе стороны этого подвижного электрода. Другими словами, зависит от разности давлений на подвижный электрод изнутри - со стороны газового промежутка между электродами и снаружи - со стороны источника акустических колебаний, находящегося в атмосфере. Наличие штуцера с капилляром (каналом), соединяющим газовый промежуток между электродами капсюля с атмосферой, приводит к тому, что при уменьшении частоты акустических колебаний, то есть при уменьшении скорости изменения звукового давления (без изменения амплитуды акустических колебаний), разность давлений на мембрану уменьшается из-за частичного выравнивания давлений, действующих на подвижный электрод. Действительно, давление в газовом промежутке между электродами всегда стремится по величине к давлению, действующему на подвижный электрод со стороны источника звуковых колебаний. Таким образом, уменьшение частоты регистрируемых акустических колебаний ведет к уменьшению амплитуды колебаний подвижного электрода, следовательно, и к уменьшению изменения заряда на электродах капсюля - конденсатора.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является капсюль конденсаторного микрофона [В.В.Сафронов, Е.В.Щербакова Исследование интенсивности шума в зависимости от расстояния до источника. Методические указания. Орел: Орел ГТУ, 2003, с.8-10].
Капсюль содержит два электрода, разделенные между собой газовым промежутком, и два вывода, первый из которых подключен к первому электроду, а второй ко второму электроду.
Первый электрод выполнен с возможностью перемещения (под воздействием на него акустических колебаний) относительно второго. При этом первый электрод называется подвижным электродом или мембраной.
Второй электрод закреплен на корпусе капсюля при помощи изолятора и называется неподвижным.
Электроды отделены друг от друга газовым (воздушным) промежутком и образуют, таким образом, электрический конденсатор.
Первым выводом является корпус капсюля, подключенный к мембране.
В корпусе капсюля имеется отверстие (канал) для выравнивания давления. Указанные составляющие капсюля, а также связи между ними является типовым для капсюлей конденсаторных микрофонов, содержащих два электрода.
Капсюль (в составе микрофона) работает следующим образом. При смещении первого электрода - мембраны капсюля от исходного положения (при действии на него акустических колебаний), изменяется величина электрической емкости между электродами. При этом под воздействием кулоновских сил, на обкладках конденсатора, т.е. на первом и втором электродах капсюля, изменяется количество электрического заряда. Изменение заряда на электродах означает протекание тока через выводы капсюля - конденсатора. С учетом того, что первый электрод - мембрана соединен с заземленным корпусом капсюля, можно говорить об изменении заряда только на неподвижном - втором электроде. Акустические колебания, таким образом, последовательно преобразуются в колебания первого - подвижного электрода (мембраны) и затем - в колебания электрического заряда на втором - неподвижном электроде капсюля. Можно, в данном случае, говорить и о последовательном преобразовании акустических колебаний в колебания электрического тока, протекающего через второй вывод капсюля.
Обычно токовые сигналы с выходов капсюля преобразуются далее в сигналы напряжения и усиливаются.
Такой способ преобразования акустических колебаний в электрические является общим для капсюлей конденсаторных микрофонов, содержащих два указанных электрода.
Недостатком капсюля является ограниченный частотный диапазон со стороны нижних частот. Это объясняется следующим. В корпусе капсюля имеется канал (отверстие), соединяющий газовый промежуток между электродами капсюля с атмосферой. Данный канал также является типичным для капсюлей конденсаторных микрофонов и служит для выравнивания давления между атмосферой и газовым промежутком. При отсутствии указанного канала изменение атмосферного давления приводит либо к вспучиванию, либо к вдавливанию подвижного электрода - мембраны капсюля, что ведет к появлению искажений преобразования акустических колебаний в электрические. Кроме того, сильное вдавливание подвижного электрода может привести к соприкосновению между электродами капсюля.
Указанный канал, однако, влияет и на частотную характеристику капсюля. Величина смещения подвижного электрода (мембраны) относительно исходного положения (т.е. положения в отсутствие звуковых колебаний) зависит от разности давлений по обе стороны этого подвижного электрода. Другими словами, зависит от разности давлений на подвижный электрод изнутри - со стороны газового промежутка между электродами и снаружи - со стороны источника акустических колебаний, находящегося в атмосфере. Наличие канала, соединяющего газовый промежуток между электродами капсюля с атмосферой, приводит к тому, что при уменьшении частоты акустических колебаний, то есть при уменьшении скорости изменения звукового давления (без изменения амплитуды акустических колебаний), разность давлений на мембрану уменьшается из-за частичного выравнивания давлений, действующих на подвижный электрод. Действительно, давление в газовом промежутке между электродами всегда стремится по величине к давлению, действующему на подвижный электрод со стороны источника звуковых колебаний. Таким образом, уменьшение частоты регистрируемых акустических колебаний ведет к уменьшению амплитуды колебаний подвижного электрода, следовательно, и к уменьшению изменения заряда на неподвижном электроде капсюля,
уменьшению амплитуды выходного токового сигнала на втором электроде капсюля и ограничению частотного диапазона со стороны нижних частот.
Задача настоящей полезной модели состоит в расширении частотного диапазона капсюля со стороны нижних частот.
Поставленная задача решается тем, что капсюль микрофона, содержащий два электрода, разделенные между собой газовым промежутком, и два вывода, первый из которых подключен к первому электроду, а второй ко второму электроду, снабжен, по меньшей мере, одним дополнительным выводом, подключенным ко второму электроду капсюля.
Предлагаемые изменения конструкции капсюля позволяют применить иной, по сравнению с используемым в прототипе, способ преобразования акустических колебаний в электрические. Способ проверен заявителем экспериментально и основан на использовании эффекта отклонения пучка заряженных частиц - ионов акустическими колебаниями среды, которое вызывает смещение области сбора заряженных частиц на поверхности электрода, расположенного на пути указанного пучка. Наиболее просто смещение области сбора частиц, а, следовательно, и отклонение пучка заряженных частиц обнаруживается и измеряется в случае, когда электрические заряды, собираемые на указанном электроде, стекают с этого электрода, по меньшей мере, по двум разным проводникам, причем с разных участков электрода.
При этом:
- первый электрод выполнен из проволоки в виде витка, диаметр которого не превышает диаметр второго электрода, причем диаметр проволоки не превышает 2 мм;
- второй электрод выполнен в форме круга из проводящей пленки или фольги, толщина которой не превышает 100 мкм;
- капсюль может быть снабжен дополнительным электродом, отделенным от второго электрода дополнительным газовым промежутком и расположенным так, что второй электрод находится между первым электродом и дополнительным электродом, кроме того, дополнительный электрод выполнен с возможностью подключения либо к первому выводу, либо к соответствующему ему дополнительному выводу капсюля;
- капсюль может быть снабжен дополнительным электродом, который отделен от первого электрода дополнительным газовым промежутком, расположен так, что первый электрод находится между вторым электродом и дополнительным электродом и выполнен с возможностью подключения либо к соответствующим ему дополнительным выводам капсюля, либо к тем же его выводам, которые подключены ко второму электроду.
Снабжение устройства, по меньшей мере, одним дополнительным выводом и подключение его ко второму электроду позволяет преобразовать отклонения пучка заряженных частиц, вызванные акустическими колебаниями, в электрические колебания величины зарядов, поступающих в единицу времени на выводы капсюля, подключенные ко второму электроду.
Первый электрод заявляемого капсюля при работе находится под высоким напряжением отрицательной полярности, второй электрод имеет низкий потенциал (в идеале - нулевой).
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 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 электроотрицательных ионов, которые
двигаются 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, 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 тем его участкам, которые подключены к соответствующим выводам капсюля, и далее к этим выводам.
Пучок 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 капсюля, тем меньше, чем ближе область сбора заряда находится к этому участку. Поэтому больший заряд за единичный интервал времени переместится в тот вывод капсюля, чей участок подключения на втором электроде оказался
ближайшим к области сбора заряда. Отметим, что при работе капсюля потенциалы на выводах второго электрода никак не влияют на перемещение зарядов в нем, так как эти потенциалы схемотехническим путем поддерживаются близкими к нулю.
В результате, изменение количества заряда, перемещаемого к указанным 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 соответствующий вывод капсюля, представляет собой выходной ток через этот вывод.
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) 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.
Таким образом, расширение частотного диапазона микрофонного капсюля в области низких частот достигается снабжением капсюля, по меньшей мере, одним дополнительным выводом и подключением его ко второму электроду, что позволяет преобразовать отклонения пучка заряженных частиц, вызванные акустическими колебаниями, в электрические колебания величины зарядов, поступающих в единицу времени на выводы капсюля, подключенные ко второму электроду.
Можно создать условия, при которых и в известном устройстве - прототипе между двумя электродами в газе будет протекать электрический ток, вызванный стационарным газовым - коронным разрядом у поверхности одного из электродов (при определенной конфигурации
электродов), т.е. также появится пучок заряженных частиц. Пучок заряженных частиц может быть вызван и процессами термоэмисии либо фотоэмиссии с одного из электродов, о чем будет сказано ниже. При воздействии акустических колебаний на этот пучок заряженных частиц, область их сбора на другом из электродов также будет смещаться с частотой акустических колебаний. Однако, весь собираемый на электроде заряд будет поступать (стекать) на один и только один вывод капсюля, поэтому и заряд, поступающий в единицу времени на этот вывод, будет постоянным. Акустические колебания в известном устройстве - прототипе не будут таким образом преобразованы в электрические.
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.
Большое значение имеют также величины сопротивлений между участками второго электрода, к которым подключены выводы капсюля. Желательно, чтобы указанные сопротивления были не менее 0,005 Ом, в противном случае ожесточаются требования к качеству преобразователей ток - напряжение, а именно к величине их входных сопротивлений, которые должны быть много меньше указанного значения. Желательные величины сопротивлений между отмеченными участками второго электрода могут быть обеспечены либо изготовлением этого электрода из пластины материала (например, сплава) с высоким удельным электрическим сопротивлением, либо изготовлением его из проводящей пленки или тонкой фольги из обычных проводниковых материалов (медь, алюминий, латунь и др.), что намного проще и дешевле.
С целью увеличения выходных токовых сигналов капсюля, можно ввести дополнительный коронирующий электрод и по другую сторону второго электрода - пластины, отделить его от пластины дополнительным газовым
промежутком и подключить его к первому электроду. При этом корона будет у поверхностей двух электродов, а в сторону центральной пластины будут направлены два пучка заряженных частиц.
Кроме того, для увеличения выходных токовых сигналов капсюля можно и по другую сторону от первого электрода (коронирующего) ввести дополнительный электрод - пластину. Дополнительный электрод - пластину отделить от первого электрода дополнительным газовым промежутком. Этот дополнительный электрод можно подключить к тем же выводам, которые подключены ко второму электроду - пластине. При этом появится второй пучок заряженных частиц, направленный от первого электрода к дополнительному электроду - пластине.
Уместно также отметить, что, в общем случае, коронирующие электроды не обязательно должны быть электрически соединены между собой, а могут быть подключены к разным источникам напряжения через соответствующие им выводы капсюля. Дополнительный электрод - пластину можно также подключать к дополнительному выводу капсюля, а не параллельно второму электроду.
При описанной выше работе, на первый электрод заявляемого капсюля подается высокое отрицательное напряжение относительно второго электрода - пластины. В результате коронного разряда в газовом промежутке образуются свободные электроны, летящие в сторону второго электрода. При столкновении электронов с нейтральными молекулами образуются электроотрицательные ионы, которые двигаются также ко второму электроду. Свободные электроны могут быть получены и другим путем, без коронного разряда, например, в результате процессов термоэмиссии или фотоэмиссии. В этих случаях в качестве первого электрода используется термокатод или фотокатод.
Термоэмиссионные катоды должны быть выполнены из материалов с высокой температурой плавления и должны быть устойчивыми к кислороду воздуха. Такими материалами являются, например, иридий и платина.
Материалы дорогие. Относительно дешевыми и перспективными для термокатодов, работающих в воздухе, могут быть металлокерамические материалы.
Применение фотокатодов предполагает, как одного из возможных вариантов, использование источника жесткого ультрафиолетового излучения. В качестве перспективных источников такого излучения могут быть светоизлучающие диоды.
Заявляемый капсюль является составной частью прибора - микрофона, в связи с чем, для большей наглядности, рассмотрена работа капсюля и в составе микрофона.
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 показана область сбора заряженных частиц на втором электроде устройства.
Капсюль микрофона содержит: первый электрод 1, участком 2 подключенный к первому выводу 3 капсюля, и отделенный газовым промежутком 4 от второго электрода 5 капсюля. Второй электрод 5 участком 6 подключен ко второму выводу 10 капсюля. Кроме того, второй электрод 5 участками 7, 8 и 9 подключен соответственно к первому дополнительному, второму дополнительному и третьему дополнительному выводам 11, 12, 13 капсюля. Количество дополнительных выходов капсюля, равное трем, взято произвольно.
Первый электрод 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, параллельна плоскости второго электрода.
Второй электрод может быть выполнен из проводящей пленки или фольги прямоугольной, квадратной, круглой или иной другой формы. В данном случае рассматривается электрод в форме круга из фольги, фиг.1.
Капсюль является составной частью микрофона. Микрофон, кроме капсюля, содержит: источник 14 постоянного напряжения, первый преобразователь 15 ток - напряжение, второй преобразователь 16 ток - напряжение, первый интегратор 17, второй интегратор 18, вычитатель 19 аналоговых сигналов, выход 20 прибора - микрофона.
Первый вывод 3 капсюля подключен к первому выводу источника 14 постоянного напряжения. Второй вывод источника 14 постоянного напряжения подключен к общей точке всех блоков (прибора - микрофона) - к земле. Выводы 10 и 11 капсюля последовательно через преобразователи 15 и 16 ток - напряжение, а также интеграторы 17 и 18 подключены к входам вычитателя 19 аналоговых сигналов, выход которого подключен в выходу 20 прибора - микрофона, фиг.2.
В качестве преобразователей 15 и 16 могут быть использованы классические 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 21 (ОУ), инвертирующий вход 22 ОУ, неинвертирующий вход 23 ОУ, сопротивление обратной связи 24 R1, дополнительное сопротивление 25 R2.
Токовый сигнал подается на инвертирующий вход 22 ОУ. Неинвертирующий вход 23 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 26 ОУ. Дополнительное сопротивление 25 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 22, 23 ОУ мало отличается от нуля вольт и обычно (в инженерной практике) считается равным нулю.
В качестве интеграторов 17 и 18 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 19 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 15 и 16 равны по величине между собой. Коэффициенты преобразования блоков 17 и 18 также равны по величине между собой.
Для простоты объяснения, два других вывода 12 и 13 капсюля (показанные на фиг.1), в данном примере, на схеме фиг.2, не показаны и не используются.
Необходимо отметить, в данном примере приведен лишь один из возможных вариантов функциональных схем микрофонов, которые могут иметь в своем составе заявляемый капсюль. Для обработки выходных сигналов капсюля могут быть применены и другие электронные блоки.
Заявляемый капсюль и прибор - микрофон, содержащий этот капсюль, работают следующим образом.
На первый электрод 1 капсюля с первого вывода источника 14 постоянного напряжения подается высокое напряжение отрицательной полярности относительно второго электрода 5 капсюля, фиг.2. Напряжение на входах преобразователей ток - напряжение 15, 16, а следовательно, и на выводах 10 и 11 капсюля также равно нулю. Для расстояния между электродами примерно 10-12 сантиметров и при напряжении между электродами 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 1 - катода, обращенная в сторону плоскости второго электрода 5 - анода.
Электроны, образованные в области коронного разряда (отрицательной короны), под воздействием сил электрического поля перемещаются к противоположному - второму электроду 5 - аноду. При этом большая часть электронов "прилипает" к нейтральным молекулам и образует так называемые отрицательные ионы, которые так же, как и электроны, двигаются в электрическом поле в сторону второго электрода 5.
Отрицательно заряженные частицы (ионы и электроны) собираются на втором электроде 5 и передают ему свой заряд. Конфигурация области сбора, переносимого ими заряда, на втором электроде 5 - аноде зависит от диаметра первого электрода 1 - катода (диаметра витка полированной проволоки) и расстояния между электродами. Например, при диаметре витка первого электрода 1 - катода примерно 4 сантиметра и малом расстоянии между электродами, порядка 4-5 сантиметров, область сбора отрицательно заряженных частиц (или просто заряда) имеет вид кольца 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" межэлектродное расстояние выбирается значительно больше. При увеличении расстояния кольцеобразная область сбора заряда расширяется как с внешней, так и с внутренней стороны и превращается в сплошной круг 27, фиг.4. Кроме того, при увеличении расстояния примерно до 10 сантиметров и более, практически все электроны прилипают к нейтральным молекулам с образованием отрицательных ионов.
Сбор заряда на втором электроде 5 - аноде приводит к появлению на нем электрического тока. Электрические токи протекают между областью сбора заряда 27 и участками второго электрода 5, подключенными к выводам 10 и 11 капсюля, т.е. между областью сбора 27 и участком 6, а также между областью сбора 27 и участком 7, фиг.4.
Токовые сигналы с выводов 10 и 11 капсюля поступают на входы преобразователей 15 и 16 ток - напряжение, соответственно, фиг.2. С выходов преобразователей 15 и 16 ток - напряжение сигналы напряжения поступают соответственно на входы первого и второго интеграторов 17 и 18. Токовые сигналы, поступающие на входы преобразователей 15 и 16 ток - напряжение, имеют импульсный характер и в общем случае статистически распределены во времени. Эти импульсы известны как импульсы Тричела. Интеграторы необходимы для сглаживания импульсных выходных напряжений преобразователей 15 и 16. Оптимальная величина постоянной времени интегрирования интеграторов 17 и 18 лежит в пределах приблизительно от 1 мс до 10 мс.
Если расстояния от области сбора заряда 27 до участков 6 и 7 равны между собой, фиг.4, то и соответствующие им электрические сопротивления участков (элементов) второго электрода 5, по которым протекают эти токи, тоже равны между собой. Следовательно, и токи, протекающие от области сбора зарядов 27 до участков 6 и 7, тоже равны между собой. В этом случае, на единичном интервале времени, суммарные заряды импульсов токов, втекающих в каждый из преобразователей 15 и 16 ток - напряжение, равны между собой, а также равны между собой сигналы напряжений на выходах первого и второго интеграторов 17 и 18, фиг.2. Причем выходные сигналы первого и второго интеграторов 17 и 18 пропорциональны суммарным зарядам импульсов токов, втекающим в единицу времени в преобразователи 15 и 16 ток - напряжение, соответственно. Сигналы с выходов интеграторов 17 и 18 поступают на входы вычитателя 19 аналоговых сигналов, фиг.2. В данном случае (если расстояния от области сбора заряда
27 до участков 6 и 7 равны между собой), выходной сигнал вычитателя 19 равен нулю. Напряжение на выходе 20 микрофона также равно нулю.
Рассмотрим случай, когда имеют место звуковые волны. Пусть эти звуковые волны распространяются, в том числе, и в газовом промежутке 4 по направлению от участка 6 к участку 7 или наоборот, фиг.2, фиг.4.
В этом случае под  воздействием колебательных движений воздуха в газовом промежутке 4, поток заряженных частиц (ионов и электронов), двигающихся к электроду 5, будет отклоняться от своего исходного направления, которое было в отсутствие звуковых волн и описано выше.
При отклонении потока частиц, область сбора заряда 27 этих частиц на втором электроде 5 также будет отклоняться от своего исходного (центрального) положения, показанного на фиг.4. При этом расстояния от области сбора частиц 27 до участков 6 и 7 будут изменяться. Электрические сопротивления (на втором электроде 5) между областью сбора частиц 27 и участками 6 и 7 также будут изменяться.
Пучок заряженных частиц - отрицательных 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. Изменение сопротивлений вызовет изменение токов, протекающих по второму электроду 5 от области сбора частиц 27 до участков 6 и 7. Больший ток потечет к тому участку, который ближе к области сбора 27. Изменятся, следовательно, и токи, втекающие в преобразователи 15 и 16 ток - напряжение. Это вызовет изменение напряжений на выходах интеграторов 17  и 18, фиг.2. На выходе вычитателя 19 аналоговых сигналов и выходе прибора - микрофона появятся колебания электрического напряжения с частотой, равной частоте акустических колебаний воздуха в газовом промежутке 4.
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 4 будет происходить отклонение (по сути, колебание) потока заряженных частиц, двигающихся ко второму электроду 5 и, как следствие, синхронно будут изменяться выходные - токовые сигналы на выводах 10 и 11 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 прототипа, в заявляемом капсюле частотный диапазон в области низких частот расширяется до нуля Гц.
В случае если в капсюле микрофона используются не два вывода 10 и 11, как в рассмотренном выше примере, а четыре вывода - 10, 11, 12 и 13, показанные на фиг.1, то можно регистрировать акустические колебания, распространяющиеся в любом направлении (параллельно плоскости второго электрода 5 капсюля). Принципиально для этого достаточно и трех выводов от трех различных участков поверхности второго электрода 5, однако большее количество участков для подключения ко второму электроду 5 предоставляет большие удобства и упрощает алгоритм обработки сигналов в плане верного определения направления и амплитуды регистрируемых акустических колебаний.
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.