УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЗВУКОВОГО ДАВЛЕНИЯ
SOUND PRESSURE MEASURING DEVICE

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения звукового давления в авиационной технике, на кораблях и подводных лодках, на аэродромах, космодромах, в машиностроении, энергетике, на АЭС, ТЭС, ТЦ, а также для обнаружения течей теплоносителя трубопроводов.
Известно устройство (датчик) для измерения звукового давления, содержащее электронный обрабатывающий модуль, блок цифровой задержки, аналого-цифровой преобразователь, сумматор, цифроаналоговый преобразователь, аналоговый выход, микрофоны (датчик); источник звука. Источник звука и микрофоны расположены между собой соосно. Обрабатывающая аппаратура выполнена на интегральных схемах. Сигналы с микрофонов поступают на электронную управляющую систему, которая превращает их в цифровую форму, задерживает, суммирует и преобразует сигнал в аналоговую форму. Выходной сигнал затем преобразуют в трехоктавном фильтре. Задержка по каждому каналу может устанавливаться оператором в пределах от 0 до 10 мс с шагом 0,01 мс.
Такое устройство (антенная решетка) позволяет производить акустические измерения в аэродинамических трубах (Методика и техника акустических измерений в аэродинамических трубах «по материалам открытой зарубежной печати», стр.74-75, фиг.60. Издательство ОНТИ ЦАГИ №588, 1980).
Устройство имеет следующие недостатки: разработка антенной решетки - устройства на базе известных микрофонов дорога и громоздка. В связи с этим нет возможности увеличить количество микрофонов с целью получения антенн с остронаправленным лучом с минимальными шумами и помехами.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является устройство для измерения звукового давления. Условно это устройство названо емкостным датчиком с газообразным диэлектриком, который содержит основу со сплошным экраном, изоляционную пленку, другую диэлектрическую пленку и экран, выводы, обкладку, опорные отверстия разного диаметра, объединенную обкладку, состоящую из n-ого числа мембран, полость ячейки под каждым емкостным чувствительным элементом (ЕЧЭ) и канавки. Обкладки толщиной 10÷1000 мкм делают из меди, никеля, нихрома, медно-никелевых, никель-хромистых сплавов. Диэлектрическую пленку изготавливают из полиамидокислотного лака по известной технологии толщиной 10÷40 мкм. Затем на материале обкладок методом фотолитографии или химического травления образуют ячейки, обкладки и выводы. Ответные (раздельные нижние) обкладки, экран сбоку, выводы для каждой обкладки на диэлектрической пленке толщиной 10÷20 мкм образованы способом вакуумной металлизации через маски 30-50 нм. Остальные диэлектрические пленки в конструкции датчика изготавливают толщиной 15-20 мкм. Чтобы обеспечить высокую линейность градуировочной характеристики, отклонение мембраны задают из условия y≤δ/2, где y - прогиб мембраны внутрь ячейки под мембраной, δ - толщина мембраны. Напряжение поляризации подают через объединенный вывод.
Отношение высоты ячейки к толщине мембраны может изменяться от 0,1 до 10 из соотношения .
Такое устройство позволяет измерить звуковое давление на гладких поверхностях без дренирования изделий (Пленочные датчики давления. Автор А.А.Казарян, Высокостабильный датчик давления, (п.2.11) с.120-122. Издательство «Бумажная галерея», 2006, 320).
Устройство для измерения звукового давления имеет следующие недостатки: чувствительность к вибрации, отсутствие возможности измерять низкие уровни звукового давления (от 35 дБ до 140 дБ).
Задачей настоящего изобретения является расширение области применения, а техническим результатом повышение надежности и чувствительности измерения звукового давления за счет расширения нижнего диапазона измерения звукового давления, снижения виброчувствительности.
1
Решение поставленной задачи и технический результат достигаются тем, что устройство для измерения звукового давления, содержащее объединенную обкладку, состоящую из n-го количества мембран и n-го количества ответных обкладок с выводами, двухсторонний фольгированный диэлектрический лист, опорное отверстие, через которое внутренняя полость мембраны соединена с атмосферой, содержит корпус с защитной сеткой, ответную заднюю крышку с опорным отверстием, отражатель, разъемы, усилители заряда, электронный обрабатывающий блок, выходы ответных обкладок через усилители заряда, разъемы и электронный обрабатывающий блок соединены с входом индикатора, собранный пакет, содержащий объединенную обкладку, состоящую из n-го количества мембран, ответной обкладки и диэлектрического листа, скреплен низковязким эластичным компаундом и расположен внутри отражателя, который скреплен винтами с корпусом, внутренние электрические соединения между ответными обкладками, усилителями заряда и электронным обрабатывающим устройством осуществлены с помощью антивибрационного кабеля, при этом герметизация разъемов и креплений проводов с поверхностью фольгированного диэлектрического листа выполнены низковязким эластичным компаундом, причем соотношение диаметра мембраны D к диаметру ответной обкладки D составляет , а соотношение толщины металлической пленки t к толщине мембраны δ составляет .
На чертеже изображена конструкция устройства в сборе, отдельные его элементы и блок-схема измерения звукового давления. Устройство содержит объединенную обкладку, состоящую из n-го количества мембран 1, ответные n-го количества обкладки 2 с выводами 3, опорные отверстия 4, фольгированный диэлектрический лист 5 (с фольгой 6), интегральные микросхемы (усилитель заряда) 7, корпус 8 с защитной сеткой, ответную заднюю крышку 9 с опорным отверстием 10, разъемы 11, провод марки АВКТ (токосъемный вывод, антивибрационный кабель) 12, отражатель 13, отверстия для крепления микросхемы 14, крепежные винты 15, электронный обрабатывающий блок 16, индикатор 77. Собранный пакет скрепляют с отражателем с помощью трех линеек 18 (сеч. Ж-Ж).
Объединенную обкладку из n-го количества мембран 7 формируют из целого куска антикоррозионной металлической пленки толщиной t≥5÷200 мкм. Диаметр мембраны 1 D=4÷11 им и толщиной δ=2÷10 мкм выбирают, исходя из величины верхнего предела измеряемого давления с двухкратной перегрузкой и в зависимости от физико-механических свойств материала, температуры, коэффициентов линейных размеров, модулей упругости и сдвига мембраны. Соотношение толщины металлической пленки t к толщине мембраны δ выбирают из соотношения . Это позволяет разработать ЕЧЭ в широком диапазоне заданного давления и чувствительности. Глубину мембраны t-δ диаметром D формируют путем фотолитографии или электронной эрозии.
На двухстороннем фольгированном диэлектрическом листе 5 выполнены ответные обкладки 2 с выводами 3 и экранами. В качестве материала фольги можно выбирать никель, феррум-никелевый сплав, толщиной 20÷60 мкм. Толщина диэлектрического листа от 3÷10 мм из стандартного стеклотекстолита или текстолита, используемого для изготовления печатных плат в электронике.
1
1
Диаметр ответной обкладки D1=3÷10 мм, а размеры выводов 3 a×b=0,12×0,12 мм. Толщина стенки ячейки объединенной мембраны из n-го количества ЕЧЭ равна t=0,9÷10 мм. Опорные отверстия 4 под мембраной диаметром 0,2÷0,3 мм формируют лазерным лучом или сверлом диаметром примерно 0,3 мм. Выбранное соотношение  обеспечивает хорошую электрическую изоляцию между объединенной обкладкой из n-ого числа мембран и стенками ячейки толщиной t от ответных обкладок (сеч. Г-Г, Е-Е). Токосъемные выводы соединяют с выводами ответных обкладок через отверстие 14 (сеч. Б-Б) с помощью антивибрационных проводов 12. Это соединение осуществляют путем обычной пайки между ответными обкладками 2 и выводами 3. Диаметр отверстия 14 выбирают исходя из сложности проводимого соединения. На обеих поверхностях диэлектрического листа 5 ответные обкладки и монтажные поверхности (дорожки) на обратной стороне листа осуществлены способом травления (сеч. А-А, В-В).
При изготовлении устройства используют корпусные или безкорпусные интегральные микросхемы. Микросхемы 7 монтируют на обратной поверхности диэлектрического листа 5 (сеч. В-В). Выход интегральной микросхемы 7 соединяют герметичным разъемом 11 с антивибрационным кабелем 72. Ответную заднюю крышку 9 скрепляют шурупами 75 с корпусом 8 (с защитной сеткой). Связь полости за объединенной мембраной с n-м количеством мембран 7 с атмосферой осуществлена с помощью опорных отверстий 4, 10. Такое соединение позволяет снижению амортизирующего влияния воздуха за мембраной и не снижает чувствительность устройства. Виброизоляцию токосъемных выводов 72 обеспечивает графитовый проводящий слой, находящийся между изоляцией и наружной оплеткой провода марки АВК-6 и низковязким эластичным компаундом (сеч. Д-Д поз.К) ЭЛК-12, который используют для герметизации разъемов 11, скрепления монтажных проводов АВКТ-6 между собой и основанием в любых сочетаниях, например стенки объединенной мембраны 1 с диэлектрическим листом 5. Компаунд работоспособен при высоких вибрационных и ударных нагрузках в интервале температуры от -60 до 120°C. При необходимости компаунд ЭЛК-12 пригоден для скрепления интегральных микросхем 7 с фольгой. Собранный пакет, состоящий из n-го количества объединенных мембран из диэлектрического листа, скрепляют эластичным низковязким компаундом. В качестве силы прижима пакета было применено легкое движение руки. Выходы интегральных микросхем 7 соединены через разъем 77 и электронный обрабатывающий блок 16 с индикатором 77. Для направленного приема звуковых волн и корреляционно-спектрального анализа собранный узел устройства с защитной сеткой 8 и ответной задней крышкой 9 располагают и крепят в отражателе 13. Применение отражателя позволяет эффективно подавлять реверберационный фон и шумы посторонних источников, а также позволяет иметь устройство с более остронаправленным лучом. Устройство, расположенное в фокусе отражателя, может быть эллиптической, параболической или сферической формы.
y
x
1
-1
2
-2
n
-n
Количество ЕЧЭ на одном корпусе может быть от одного до n-ого количества штук. При этом количество ЕЧЭ по оси Х и Y может составлять от одного до нескольких десятков. Размеры А и Б (сеч.В-В) и форму устройства выбирают произвольными: и они могут быть прямоугольной, квадратной формы и в виде окружности. Минимальное расстояние между ЕЧЭ по оси x и y может быть и разным, и одинаковым и задается l≥l≥8÷14 мм. При необходимости неограничено увеличение расстояния между ЕЧЭ и это может быть реализовано как: y=y=y=y…=y=y;
1
-1
2
-2
3
-3
4
-4
1
2
3
4
-1
-2
-3
-4
1
-1
2
-2
3
-3
n
-n
y=y≠y=y≠y=y≠y=y; y<y<y<y; y<y<y<y; 1=1; 1=1=1=1=…1=1;
2
-2
3
-3
4
-4
n
-n
2
3
4
n
-2
-3
-4
-n
1=1≠1=1≠1=1…≠1=1; 1<1<1<…<1; 1<1<1<…<1.
Как следует из описания изобретения, диаграмму устройства можно формировать путем изменения расстояния между ЕЧЭ по оси x и y относительно оси симметрии "ОО" (сеч. Г-Г). Аналогичное расположение ЕЧЭ между собой относительно оси у может быть таковым: - число рядов от одного до m-ого количества штук (многорядный) и однорядный. Знак «-» означает левее по оси «ОО».
Предложенная конструкция с n-м числом мембран устройства предназначена для получения важной информации о физических механизмах генерации и распространения звукового давления, что невозможно сделать и получить с одним ЕЧЭ. При одиночных измерениях невозможно получить данные о фазовых соотношениях, информацию о пространственной структуре поля даже при использовании двухканальных методов измерения с использованием взаимного корреляционного и спектрального анализа. Для акустических измерений использование известных микрофонов сделает устройство громоздким и дорогостоящим.
Устройство предназначено для измерения и обработки акустических корреляционно-спектральных сигналов при соответствующем программном обеспечении аэродромов и других подобных объектов, при совместной эксплуатации нескольких самолетов различных типов.
Знание шумовых характеристик звукового давления местности позволяет выбрать наивыгоднейший маршрут полета с целью обеспечения нормативных требований и эксплуатационных ограничений. Устройство также позволяет на определенном расстоянии определить место нахождения и расположения подвижных и неподвижных объектов.
Для реализации поставленной задачи необходимо иметь многоэлементные ЕЧЭ - устройство с объединенным n-м количеством ЕЧЭ или дорогостоящие объемные микрофонные антенные решетки и электронный обрабатывающий блок. Многоэлементное устройство (или антенная решетка) используется для трехкомпонентных измерений интенсивности и других величин. Электронный обрабатывающий блок обеспечивает пространственное сканирование исследуемого звукового давления с использованием трехкоординатного траверсного устройства, в частности, фирмы ДАНТЕК (Франция) и аналоговый процессор. Аналоговый процессор содержит десятикратную линию задержки, обеспечивающую возможность вращения диаграмм направленности неподвижного многоэлементного устройства с помощью электрических сигналов. В блоке электронной обработки аналоговый процессор позволяет получить методом когерентных разностей сигналы, пропорциональные звуковому давлению, смещению скорости и ускорению частиц, потенциалу скорости, давлениям прямой и отраженной волны.
Многоэлементное устройство при экспериментальных исследованиях акустики, аэродинамики и прочности позволяет определять поля распределения давления, дает возможность осуществлять анализ и обработку акустических сигналов во временной, частотной, пространственной областях и в области волновых чисел, включая определение пространственно-временных корреляционных функций, частотно-волновых спектров, временную и пространственную селекцию, частотную и волновую фильтрацию. Многоэлементное устройство также позволяет измерять акустические поля, в частности, с модальным анализом методом акустической голографии ближнего поля и методами, основанными на использовании фазированных антенных решеток звуковой частоты (в данном случае антенная решетка разработана на базе ЕЧЭ) дальнего и ближнего полей. Полученные результаты в виде таблиц и графиков регистрируют и запоминают в индикаторе 17 (персональный компьютер).
Функционирование и согласование обеспечивает электрический сигнал с выходов n-го количества ЕЧЭ устройства, усилителями заряда 7 усиливают, нормируют, задерживают, суммируют, вычитают, интегрируют (если это требуется) в электронном обрабатывающем блоке и подают на индикатор. Согласование и усиление электрического сигнала с выхода ЕЧЭ можно осуществить аппаратурой фирмы «Брюль и Къер» (Дания), «Рион» (Япония), RET (Германия) и т.д.
Опыт эксплуатации отечественных и зарубежных емкостных датчиков показал, что датчики могут быть подключены с соответствующей указанной аппаратурой без применения дополнительной схемы согласования. В некоторых случаях приходится выбирать ответную часть разъема датчика (ЕЧЭ).
Отечественные усилители заряда выполнены на интегральной микросхеме 544УД1. Напряжение поляризации ЕЧЭ подают на объединенную обкладку 1 12÷200 В. Сигналы снимают с выхода ответных обкладок 2 с вывода 3. В качестве электронного обрабатывающего блока для обработки сигнала с выхода усилителя заряда можно использовать аппаратуру НИЦ им. Эймса, NASA (США), которую часто используют в аэродинамических акустических измерениях. В этом блоке время пробега волны до каждого ЕЧЭ (микрофона) компенсируется ячейками задержки сигнала, благодаря чему звуковые сигналы, распространяющиеся вдоль ЕЧЭ устройства, суммируются на сумматоре в фазе. При этом волны, распространяющиеся из других направлений, имеют различные фазы, поэтому ослабляют друг друга при суммировании. Характеристики направленности линейного устройства обеспечивают существенное снижение фоновых (паразитных) шумов и реверберацию в проводимом эксперименте.
Использование в предлагаемом устройстве объединенной обкладки из n-го количества мембран позволяет формировать остронаправленную узкую (игольчатую) диаграмму направленности (луч) на выходе электронного обрабатывающего блока с высокой пространственной разрешающей способностью, которая может быть охарактеризована известным выражением как: , где ,
x
y
x
y
0
-jkx
jkx
jωx
d, d - расстояния между элементами ЕЧЭ по осям; N и N - число элементов по осям x и y; θ - угол места; φ - азимутальный угол, R(θ), задаются, подробности см. в (Писаревский Н.Н. Тезисы докладов IX научно-технической конференции по авиационной акустике. 1989. «Издательский отдел ЦАГИ» с.396-399). R(θ)=cosθ - при работе устройства в режиме измерения интенсивности. В случае звукового поля, образующегося в результате наложения, например, двух плоских волн, распространяющихся в противоположных направлениях, звуковое давление Р и скорость частиц ν на аналоговых выходах электронного обрабатывающего блока имеют P=P(e+&e)e, ,
0
0
α
0
r
-jkx
jωt
jkx
jωt
-jkx
jkx
где P - амплитуда давления в падающей волне; k - волновое число; ω - частота; x - расстояние до отражающей поверхности; & - комплексный коэффициент отражения. В данном случае они выражают звуковое давление в падающей P+ρcν=2Рe·e=P и отраженной волнах P-ρcν=2&Pe·e=P с точностью до фазовых коэффициентов e и e, которые компенсируют линии задержки, находящиеся в блоке 16. Полученные результаты в аналоговом или цифровом виде регистрируют в индикаторе.
0
Принцип работы устройства. Устройство направляют в сторону распространения звуковой волны. При изменении звукового давления ΔР деформируются мембраны 7. За счет деформации мембраны одновременно изменяется расстояние между мембраной 1 и ответной обкладкой 2 конденсатора. В результате прогиба мембраны изменяется начальная емкость ЕЧЭ C, приращение ΔC и относительное изменение емкости  ЕЧЭ. При этом напряжение на выходе ЕЧЭ (между обкладками 1 и 2) пропорционально приращению  и напряжению поляризации U ЕЧЭ, т.е. на выходе ЕЧЭ имеем .
вых
α
r
Далее сигнал U согласуют в усилителе заряда 7, усиливают, нормируют, обрабатывают в аналоговом или цифровом виде в электронном обрабатывающем блоке 16, и на выходе этого блока имеют информацию о диаграмме направленности устройства R (l, θ), звуковое давление в падающей P и отраженной P волнах. Полученную информацию с выхода блока 16 регистрируют в индикаторе 17.
Технико-экономический эффект предложенного устройства повышается за счет использования объединенной мембраны, состоящей из n-го количества ЕЧЭ, защищенных от вибрации и проникновения влажности между обкладками ЕЧЭ. За счет повышения чувствительности ЕЧЭ и применения многоэлементного корреляционно спектрального анализа снижаются фоновые шумы и расширяется нижний диапазон измерения звукового давления. Надежность устройства повышается за счет объединения мембраны n-го количества ЕЧЭ и сокращения числа соединительных проводов до единицы для подачи напряжения поляризации.
С этой целью в ЦАГИ были изготовлены 10 шт. ЕЧЭ на одной подложке. Материал мембраны - латунь, толщиной 100 мкм. Метрологические характеристики были исследованы в одноштучном варианте. ЕЧЭ были использованы для получения информации о распределении удара по стеклоблоку. Расположение ЕЧЭ на стеклоблоке с размерами 300×300×20 мм и схемой измерения представлена в работе (А.А.Казарян. Пленочные датчики давления. Параграф 5.7. Измерение давления на лобовом стекле ЛА. с.300-306). Уровень измеряемого ударного давления 13-500 кПа, длительность воздействия удара 4,5÷19,2 мс.
1
-1
2
-2
3
-3
Для дистанционного измерения звукового давления также была изготовлена однорядная линейка из 7-ми ЕЧЭ. Расстояние между ЕЧЭ были выбраны l=l=8 мм; l=l=17 мм; l=l=50 мм.
В ЦАГИ для построения линейных плоских и других антенных микрофонных решеток были использованы микрофонные блоки PA-12MV, построенные на шести миниатюрных электродных микрофонах. Для обеспечения пространственного сканирования исследуемого звукового поля используется трехкоординатное устройство фирмы Дантек и микрофонный мультиплексор микрофонного аналогового процессора фирмы Метравип (Франция). Встроенное в процессор аналоговое вычислительное устройство обеспечивает непосредственное суммирование микрофонных сигналов для обеспечения остронаправленного приема волн методом фазированных антенных решеток дальнего поля и при расположении антенны (устройства) в ближнем поле. Это устройство позволяет получить методом конечных разностей сигналы, пропорциональные звуковому давлению, смещению скорости и ускорению частиц, давлению прямых и отраженных волн и т.д. (Писаревский Н.Н. Разработка корреляционной измерительной системы на базе современной интесометрической аппаратуры. «Тезисы докладов IX научно-технической конференции по авиационной технике». Издательский отдел ЦАГИ, 1989, с.383-385).