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 капсюлями), используемые в микрофонах и приборах, по принципу действия делятся на конденсаторные, угольные, пьезоэлектрические, электродинамические и электромагнитные.
Электромагнитные, электродинамические пьезоэлектрические и угольные преобразователи (капсюли) [Иофе В.К., Корольков В.Г., Сапожков М.А. Справочник по акустике М., Связь, 1979, с.90-96, 110-136] имеют ограниченный частотный диапазон со стороны низких частот.
Конденсаторные преобразователи бывают ненаправленными и с двухсторонней направленностью [Урбанский Б. Электроакустика в вопросах и ответах: Пер. с польск./ Под ред. М.А. Сапожкова. М., Радио и связь, 1981, с.84-90]. Двунаправленные устройства имеют два неподвижных электрода и расположенную между ними мембрану. Неподвижные электроды имеют сквозные отверстия, через которые газ, находящийся между этими электродами и мембраной соединен с атмосферой. Из-за наличия отверстий, частотный диапазон таких устройств ограничен со стороны низких частот. Ненаправленные преобразователи содержат два электрода - подвижный и неподвижный, которые разделены газом и образуют конденсатор. Примером такого устройства является преобразователь [патент РФ №2114519, МПК H04R 19/00. Дата публикации 1998.06.27]. Из-за наличия в устройстве специального канала - штуцера с капилляром, соединяющего газ между электродами с атмосферой и предназначенного для выравнивания давления, частотный диапазон устройства также ограничен со стороны низких частот.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является акустический преобразователь - капсюль микрофона [патент РФ на полезную модель №63158, МПК H04R 23/00. Дата публикации 10.05.2007, Бюл. №13], содержащий два электрода, разделенные между собой газовым промежутком и, по меньшей мере, три вывода, первый из которых подключен к первому электроду, а другие выводы подключены ко второму электроду. Данное устройство выбрано в качестве прототипа.
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.
При работе преобразователя первый электрод (виток из проволоки) находится под высоким напряжением отрицательной полярности, а второй электрод (пластинка) имеет низкий потенциал. В области максимальной напряженности электрического поля - у поверхности первого электрода возникает коронный разряд (корона). Образованные при разряде свободные 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. Первый электрод принято называть коронирующим. Второй электрод является (называется) по сути собирающим (заряды частиц) электродом.
Положение области сбора заряда ионов на собирающем электроде определяется взаимным расположением электродов и траекторией движения ионов в электрическом поле между электродами. Если акустические колебания (например, гармонические), распространяются в газе между электродами, в поперечном электрическому полю направлении, то на направленное движение ионов по полю накладывается их колебательное движение, как переносчиков (наравне с молекулами) этих акустических колебаний. При этом траектория движения ионов периодически меняет
направление и колеблется как маятник с частотой акустических колебаний. При изменении траектории движения ионов, область сбора заряда ионов на собирающем 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 собирающего (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 преобразователя, представляет собой изменение выходного тока через этот вывод. Выходные сигналы устройства токовые.
Недостатком описанного акустического преобразователя является то, что при работе в условиях промышленного производства на его выводах генерируются выходные сигналы, которые являются суперпозицией как полезных сигналов, вызванных акустическими колебаниями, так и шумовых сигналов (шумов), вызванных внешними электрическими и магнитными влияниями (наводками), причем, только такие сигналы.
Это объясняется тем, что второй электрод принципиально не может быть полностью экранирован. При его размерах до десятков сантиметров, электрод сильно подвержен воздействию указанных внешних влияний. Источником наводок может являться и высоковольтный источник питания, необходимый для работы преобразователя. Преобразователь предназначен для регистрации низкочастотных акустических колебаний, поэтому
высокочастотные шумы могут быть значительно ослаблены фильтрами низких частот. Выделить же полезные сигналы при наличии низкочастотных шумов равной или большей амплитуды дальнейшей обработкой невозможно.
Задача настоящей полезной модели состоит в таком изменении конструкции преобразователя, которое позволяет генерировать на его выводах дополнительные выходные сигналы, идентичные или подобные по форме шумовым сигналам, генерируемым на выводах, подключенных ко второму электроду, из-за внешних электрических и магнитных влияний.
Поставленная задача решается тем, что акустический преобразователь, содержащий два электрода, разделенные между собой газовым промежутком и, по меньшей мере, три вывода, первый из которых подключен к первому электроду, а другие выводы подключены ко второму электроду, снабжен третьим электродом, который расположен вне газового промежутка рядом со вторым электродом, отделен от него диэлектриком и подключен либо к тем же выводам, которые подключены ко второму электроду, либо к соответствующим ему дополнительным выводам преобразователя. При этом:
- Третий электрод может иметь те же форму и размеры и может быть изготовлен из того же материала, что и второй электрод.
- Третий электрод может быть покрыт твердым диэлектриком.
Преобразователь быть снабжен изолятором из твердого диэлектрика, который расположен между третьим электродом и газовым промежутком.
- Преобразователь может быть снабжен экраном, который расположен между первым и вторым электродами и имеет, по меньшей мере, одно отверстие, расположенное напротив первого электрода.
- Экран может быть выполнен из диэлектрика в форме чашки Петри.
Преобразователь может быть снабжен, по меньшей мере, одним дополнительным (коронирующим) электродом, который отделен от второго электрода дополнительным газовым промежутком, расположен
относительно экрана с той же стороны, что и первый электрод, и подключен к первому выводу, при этом, по меньшей мере, одно отверстие в экране расположено напротив дополнительного электрода, причем третий электрод расположен вне дополнительного газового промежутка.
Изолятор из твердого диэлектрика, может быть расположен так, что с одной его стороны находится третий электрод, а с другой стороны газовый промежуток и дополнительный газовый промежуток.
Преобразователь, кроме того, может быть снабжен дополнительным экраном и, по меньшей мере, одним дополнительным (коронирующим) электродом, который подключен к первому выводу, расположен по отношению к первому электроду с противоположной стороны второго электрода и отделен от второго электрода дополнительным газовым промежутком, а дополнительный экран расположен между дополнительным и вторым электродами и имеет, по меньшей мере, одно отверстие, расположенное напротив дополнительного электрода, причем третий электрод покрыт твердым диэлектриком.
Предлагаемое изменения конструкции, а именно снабжение акустического преобразователя третьим электродом, который расположен вне газового промежутка рядом со вторым электродом, отделен от него диэлектриком и подключен либо к тем же выводам, которые подключены ко второму электроду, либо к соответствующим ему дополнительным выводам преобразователя, позволяет на выводах преобразователя, подключенных к третьему электроду, генерировать дополнительные выходные сигналы, идентичные или подобные по форме шумовым сигналам, возникающим из-за внешних влияний на выводах, подключенных ко второму электроду, а поэтому обеспечивает возможность выделения полезных сигналов из их суперпозиции с шумовыми, генерируемыми на выводах, подключенных ко второму электроду, при дальнейшей обработке выходных сигналов.
Обычно идентичные шумовые сигналы генерируются наводками на электродах, которые расположены рядом и имеют одинаковые форму,
размеры и материал. Однако, для наилучшего выделения полезных сигналов из их суперпозиции с шумами указанные условия не всегда обязательны.
Согласно алгоритму работы акустического преобразователя, важно, чтобы отрицательные заряженные частицы (ионы) достигали одного и только одного - второго (собирающего) электрода.
Второй и третий электроды могут быть по-разному расположены друг относительно друга. Так, если эти электроды направлены друг к другу своими плоскостями, то, согласно алгоритму работы, тот из электродов, который находится ближе к первому электроду, является вторым (собирающим заряды) электродом, а тот, что дальше (т.е. за вторым по отношению к первому) - третьим. Второй и третий электроды могут быть одинакового и разного размеров, они также могут быть смещены друг относительно друга. Если второй и третий электроды имеют одинаковый размер и смещены друг относительно друга, а также, если третий электрод имеет большие размеры, то при работе преобразователя на третий электрод необходимо подать постоянное отрицательное напряжение (достаточно и двадцати вольт). При этом ионы будут отталкиваться электрическим полем (между вторым и третьим электродами) от третьего электрода и притягиваться вторым. Если же размеры третьего электрода не превосходят размеров второго и его края не выступают за края второго электрода, то подавать отрицательное напряжение на третий электрод не нужно. Ионы в обоих случаях будут собираться только на втором электроде.
Второй и третий электроды могут быть также направлены друг к другу своими краями. Согласно алгоритму работы, тот из электродов, который находится ближе к первому электроду (т.е. напротив его), является вторым (собирающим заряды) электродом, а тот, который дальше (т.е. смещен) - третьим. Для того, чтобы ионы собирались только на втором электроде, на третий электрод также необходимо подать отрицательное напряжение.
Покрытие третьего электрода твердым диэлектриком, либо снабжение преобразователя изолятором из твердого диэлектрика, который расположен
между третьим электродом и газовым промежутком, избавляет от необходимости подачи на третий электрод отрицательного напряжения при любом указанном его расположении относительно второго электрода.
Снабжение преобразователя экраном, который расположен между электродами и имеет, по меньшей мере, одно отверстие, расположенное напротив первого электрода, позволяет уменьшить амплитуду акустических колебаний воздуха у первого электрода, а поэтому и уменьшить нестабильность тока коронного разряда, т.е. тока пучка заряженных частиц. В результате этого уменьшается нестабильность амплитуды выходных сигналов и, соответственно, коэффициента преобразования устройства.
Снабжение преобразователя, по меньшей мере, по одним дополнительным электродом, который отделен от второго электрода дополнительным газовым промежутком, расположен относительно экрана с той же стороны, что и первый электрод, и подключен к первому выводу преобразователя, при этом, по меньшей мере, одно отверстие в экране расположено напротив дополнительного электрода, позволяет увеличить ионный ток и тем самым увеличить выходные токовые сигналы и, соответственно, увеличить чувствительность преобразователя.
Снабжение преобразователя, кроме того, дополнительным экраном и, по меньшей мере, одним дополнительным электродом, который подключен к первому выводу, расположен по отношению к первому электроду с противоположной стороны второго электрода и отделен от второго электрода дополнительным газовым промежутком, а дополнительный экран расположен между дополнительным и вторым электродами и имеет, по меньшей мере, одно отверстие, расположенное напротив дополнительного электрода, позволяет увеличить ионный ток и чувствительность преобразователя в большей степени, по сравнению с вариантом конструкции, приведенным выше. При этом будут коронировать электроды, расположенные по обе стороны второго электрода и ионы будут двигаться ко второму электроду с двух противоположных сторон.
Подробно влияние дополнительных коронирующих электродов и экранов на характеристики преобразователя указано в описании заявок на полезные модели (Акустический преобразователь): заявка №2007125235, приоритет от 03 июля 2007 г., и заявка №2007132498, приоритет от 28 августа 2007 г.
На фиг.1 показан вариант конструкции заявляемого преобразователя по п.1 формулы полезной модели. На фиг.2 показана область сбора заряженных частиц на втором электроде. На фиг.3 показан вариант конструкции по п.12 формулы полезной модели.
Преобразователь, показанный на фиг.1, содержит следующие элементы. Первый электрод 1, подключен к первому выводу 2 и отделен газовым промежутком 3 от второго электрода 4. Второй электрод 4 участком 5 подключен ко второму выводу 6, а участком 7 - к третьему выводу 8. Третий электрод 9 расположен за вторым электродом (по отношению к первому) рядом с ним и отделен от него диэлектриком (лакоткань) 10. Третий электрод участком 11 подключен к первому дополнительному выводу 12, а участком 13 - ко второму дополнительному выводу преобразователя 14.
Первый электрод может быть выполнен, например, в форме витка, прямоугольной или квадратной рамки из проволоки с гладкой полированной поверхностью. На фиг.1 показан виток из проволоки. Плоскость, в которой расположен первый электрод 1, параллельна плоскости второго электрода 4.
Второй 4 и третий 9 электроды могут быть выполнены в форме круга, прямоугольника или иной другой формы из тонкого материала с высоким удельным сопротивлением. На фиг.1 эти электроды выполнены в форме прямоугольников. Третий электрод имеет меньшие размеры, чем второй, и его края не выступают за края второго электрода, а поэтому при работе преобразователя не него не требуется подавать отрицательное напряжение.
Заявляемый преобразователь, фиг.1, работает следующим образом.
Первый вывод 2 преобразователя подключен к выходу источника высокого напряжения (на фиг.1 не показан). На первый электрод 1 - катод от источника подается высокое напряжение отрицательной полярности.
Второй электрод 4 - анод имеет низкий потенциал (в идеале стремящийся к нулю), что обеспечивается низкими сопротивлениями между выводами второго электрода и землей. Это могут быть сопротивления резисторов (на фиг.1 не показан), на которых падает напряжение по величине на порядки меньшее, чем высокое напряжение на первом - коронирующем электроде 1, либо активные преобразователи ток - напряжение (на фиг.1 не показаны), имеющих очень низкое (доли Ома) входное сопротивление.
У поверхности первого электрода 1 возникает коронный разряд. При этом коронирует поверхность первого электрода, обращенная в сторону второго электрода 4. Образованные при разряде свободные электроны при движении ко второму электроду "прилипают" к нейтральным молекулам газа с образованием электроотрицателых ионов, которые также движутся ко второму электроду и, при соприкосновении с ним, отдают ему свой заряд.
Конфигурация области сбора заряда ионов на втором электроде 4 зависит от диаметра первого электрода 1 (диаметра витка проволоки), а также расстояния между электродами. Если указанное расстояние превышает диаметр первого электрода в три и более раз, область сбора ионов на втором электроде 4 имеет вид круга с размытыми краями. Область сбора 15 показана на фиг.2. Такая форма области обусловлена расширением пучка заряженных частиц при их движении ко второму электроду 4.
Положение области сбора заряда ионов 15 на втором электроде 4, фиг.2, определяется как взаимным расположением электродов, так и траекторией движения ионов в электрическом поле между электродами.
Рассмотрим случай, когда имеет место акустические гармонические колебания (волны). Пусть эти колебания распространяются, в том числе, и параллельно плоскостям первого и второго электродов, причем либо по направлению от участка 5 второго электрода к участку 7, либо наоборот.
На направленное движение частиц по полю накладывается их колебательное движение как переносчиков (наравне с молекулами газа) акустических колебаний. Под воздействием колебательных движений
воздуха поток заряженных частиц будет периодически отклоняться вправо и влево от своего исходного направления, которое имеет место в отсутствие звуковых волн. Траектория движения ионов будет периодически менять направление и колебаться как маятник с частотой акустических колебаний.
Совокупность движущихся ионов является, по сути, генератором тока по отношению ко второму электроду. В любом электрическом устройстве большая часть тока генератора протекает по той цепи, 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 ближе к области сбора заряда 15, фиг.2. Например, если в данный интервал времени, область сбора частиц на втором электроде ближе к его участку 5, то и заряд, протекающий к выводу 6 больше, а заряд, протекающий к выводу 8 меньше, чем заряд, протекающий к выводам 6 и 8 в отсутствии акустических колебаний. Суммарный же заряд, протекающий через эти 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, является изменением выходного тока через этот вывод.
При работе преобразователя в условиях промышленного производства, на его втором 6 и третьем 8 выводах кроме полезных сигналов, вызванных акустическими колебаниями, генерируются и шумовые сигналы, вызванные внешними электрическими и магнитными влияниями, поэтому суммарные сигналы, генерируемые на втором и третьем выводах преобразователя, являются суперпозицией указанных полезных сигналов и шумов. Третий
электрод 9 по отношению к указанным внешними влияниями находится в таких же условиях, что и второй. Поэтому на первом дополнительном 12 и втором дополнительном 14 выводах устройства, подключенным к третьему электроду, генерируются сигналы, подобные по форме тем шумовым сигналам, которые возникают на втором 6 и третьем 8 выводах. В данном описанном варианте конструкции формирователя второй 4 и третий 9 электроды имеют разные размеры, поэтому и амплитуды шумовых сигналов на этих электродах тоже будут разные. Выделение полезных сигналов из их суперпозиции с шумами в дальнейшем может быть проведено простым вычитанием шумовых сигналов, полученных с помощью третьего электрода, из суперпозиции полезных сигналов и шумов, полученных с помощью второго электрода. При этом неодинаковость амплитуд шумовых сигналов на выводах, подключенных ко второму и третьему электродам, учитывается выбором масштабных коэффициентов при вычитании.
Амплитуды шумовых сигналов на выводах, подключенных ко второму и третьему электродам, могут быть и одинаковы, если размеры этих электродов тоже одинаковые. В предположении, что это так (- что шумовые сигналы идентичны), нужно третий электрод 9 участком 13 подключить ко второму выводу 6, а участком 11 - к третьему выводу 8 преобразователя. В этом случае на втором и третьем выводах преобразователя будут только полезные (без шумов) сигналы, вызванные акустическими колебаниями.
Таким образом, возможность генерации ( - генерация) на выводах акустического преобразователя дополнительных выходных сигналов, идентичных или подобных по форме шумовым сигналам, генерируемым на выводах, подключенных ко второму электроду из-за внешних электрических и магнитных влияний, достигается снабжением преобразователя третьим электродом, который расположен вне газового промежутка рядом со вторым электродом, отделен от него диэлектриком и подключен либо к тем же выводам, которые подключены ко второму электроду, либо к соответствующим ему дополнительным выводам преобразователя.
Вариант конструкции преобразователя по п.12 формулы полезной модели показан на фиг.3.
Преобразователь, фиг.3, содержит следующие дополнительные элементы. Твердый диэлектрик (эпоксидная смола) 16, которым покрыт третий электрод 9. Первый дополнительный 17 и второй дополнительный 18 коронирующие электроды, подключенные к первому выводу 2 и расположенные со стороны первого электрода 1. Экран 19 с отверстиями 20, 21 и 22, расположенными соответственно напротив электродов 1, 17 и 18. Третий дополнительный 23, четвертый дополнительный 24 и пятый дополнительный 25 коронирующие электроды, подключенные к первому выводу 2 и расположенные с противоположной стороны второго электрода 4 по отношению к первому электроду 1. Дополнительный экран 26 с отверстиями 27, 28 и 29, расположенными соответственно напротив электродов 23, 24 и 25. Количество дополнительных электродов выбрано произвольно. Газовый промежуток, дополнительные газовые промежутки, а также диэлектрик (- воздух) между вторым и третьим (покрытым смолой) электродами на фиг.3 цифрами не отмечены.
Преобразователь, фиг.3, работает аналогичным, описанным выше образом. При его работе коронируют электроды (группы электродов) 1, 17, 18 и 23, 24, 25, расположенные по обе стороны второго электрода 4. Заряженные частицы движутся ко второму электроду (через отверстия 20, 21, 22 в экране 19 и отверстия 27, 28, 29 в дополнительном экране 26) с двух противоположных сторон и, при соприкосновении с ним, отдают ему свой заряд. На дополнительных выводах 12 и 14, подключенных к третьему электроду 9, генерируются сигналы, подобные по форме тем шумовым сигналам, которые генерируются наводками на втором 6 и третьем 8 выводах
Конструкция по п.12 формулы сложнее и дороже, но позволяет получить большую чувствительность преобразователя, а также получить меньшую нестабильность коэффициента преобразования. Этот вариант целесообразно использовать для регистрации очень слабых акустических сигналов.