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.
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 (круглая пластинка) имеет низкий потенциал.
В области максимальной напряженности электрического поля - у поверхности первого электрода с малым радиусом кривизны возникает газовый разряд, который называется коронным разрядом или короной. Электрод, у которого возникает корона, называют коронирующим.
Образованные при разряде свободные электроны "прилипают" к нейтральным молекулам газа с образованием электроотрицательных 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 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 подобно маятнику 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 преобразователя, представляет собой изменение выходного тока через этот вывод. Выходные сигналы устройства являются токовыми. Преобразователь имеет линейную характеристику коэффициента преобразования.
Недостатком описанного известного акустического преобразователя является высокая нестабильность коэффициента преобразования.
Коэффициент преобразования любого преобразователя определяется как отношение его выходной величины к входной величине. В данном случае, выходная величина - это амплитуда выходных сигналов преобразователя, а входная - амплитуда гармонических акустических колебаний.
Акустические колебания воздуха (его движение) у коронирующего, то есть у первого электрода, приводят к частичному гашению коронного разряда. Причем данный процесс носит случайный характер. Известно, что в некоторых электрических аппаратах дуговой разряд (дуга) гасится именно
быстрым движением (потоком) воздуха. Чем выше амплитуда колебаний, т.е. выше скорость движения воздуха, тем возможно более сильное гашение короны, со значительным уменьшением ее тока, равному току пучка ионов. Случайные изменения тока пучка ведут к изменению амплитуды выходных сигналов, а, следовательно, и к изменению коэффициента преобразования.
Задача настоящей полезной модели состоит в уменьшении нестабильности коэффициента преобразования акустического преобразователя.
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 экраном, который расположен между электродами и имеет, по меньшей мере, одно отверстие, расположенное напротив первого электрода.
При этом:
- Второй электрод может быть выполнен в форме круга из фольги, толщина которой не превышает 100 мкм., первый электрод может быть выполнен из проволоки в виде витка, диаметр которого не превышает диаметр второго электрода, при этом диаметр проволоки не превышает 2 мм., а экран может быть выполнен из диэлектрика в форме чашки Петри.
- Акустический преобразователь может быть снабжен, по меньшей мере, дним 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.
- Акустический преобразователь, кроме того, может быть снабжен 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.
Предлагаемое изменение конструкции, а именно снабжение акустического 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.
Снабжение преобразователя, по меньшей мере, 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 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.
На фиг.1 показан вариант конструкции заявляемого преобразователя по п.1 формулы полезной модели. На фиг.2 показана область сбора ионов на втором электроде. На фиг.3 показан экран с тремя отверстиями. На фиг.4 показан вариант конструкции преобразователя по п.4 формулы полезной модели.
Преобразователь, показанный на фиг.1, содержит следующие элементы. Первый электрод 1, подключенный к первому выводу 2. Экран 3 с отверстием 4. Второй электрод 5 участком 6 подключенный ко второму выводу 7, а участком 8 подключенный к третьему выводу 9. Газовый промежуток цифрами не отмечен.
Первый электрод 1 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 5.
Экран 3 из диэлектрика может быть выполнен в форме полусферы, чашки Петри иной другой формы, обеспечивающей защиту первого электрода от движения воздуха при акустических колебаниях. На фиг.1 показан экран в форме чашки Петри. Отверстие 4 в экране 3 расположено напротив первого электрода и имеет диаметр большего размера, чем диаметр замкнутого витка из проволоки - первого электрода 1.
Второй электрод 5 может быть выполнен в форме круга, квадрата или иной другой формы. С целью повышения электрического сопротивления между его участками 6 и 8, к которым подключаются выводы преобразователя, электрод желательно выполнить из тонкого материала с высоким удельным сопротивлением. На фиг.1 второй электрод из тонкой фольги в форме круга.
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 5 - 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 5. Образованные при разряде свободные электроны при движении ко второму электроду "прилипают" к нейтральным молекулам газа с образованием электроотрицательных ионов, которые также движутся ко второму электроду и, при соприкосновении с ним, отдают ему свой заряд.
Отверстие 4 в экране 3 расположено напротив первого электрода и имеет диаметр большего размера, чем диаметр витка из проволоки - первого электрода 1. Поэтому экран с отверстием не влияет на конфигурацию электрического поля между первым и вторым электродами, а, следовательно, не влияет ни на условия образования коронного разряда, ни на движение заряженных частиц ко второму электроду 5.
Конфигурация области сбора заряда ионов на втором электроде 5 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 5 имеет вид круга с размытыми краями. Область сбора 10 показана на фиг.2. Такая форма области обусловлена расширением пучка заряженных частиц при их движении ко второму электроду 5.
Положение области сбора заряда ионов 10 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 6 второго электрода к участку 8, либо наоборот. При воздействии акустических волн, т.е. движения воздуха на область коронного разряда у поверхности первого электрода 1, нарушаются внешние условия поддержания стационарности этого разряда. Говорят, что корона "сдувается" или частично гасится. При этом уменьшается ток коронного разряда и, соответственно, ток пучка заряженных частиц движущихся ко второму электроду. Экран 3 препятствует проникновению волн к поверхности первого электрода (ослабляет их) и тем самым защищает коронный разряд от частичного гашения (ослабляет гашение).
Заряженные частицы двигаются ко второму электроду через отверстие 4 в экране 3. 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 за экраном 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 подобно маятнику 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 10, фиг.2. Например, если в данный интервал времени, область сбора заряженных частиц на втором электроде ближе к его участку 6, то и заряд, протекающий к выводу 7 больше, а заряд, протекающий к выводу 9 меньше, чем заряд, протекающий к выводам 7 и 9 в отсутствии акустических колебаний. Суммарный заряд, протекающий через эти выводы, 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 изменение выходного тока через этот вывод. При этом, благодаря наличию экрана с отверстием, уменьшается влияние акустических колебаний на коронный разряд, а поэтому уменьшается нестабильность тока пучка ионов, достигающих второго электрода. Следовательно, уменьшается нестабильность коэффициента преобразования акустического преобразователя.
Таким образом, уменьшение нестабильности коэффициента преобразования достигается снабжением преобразователя экраном, который расположен между электродами и имеет, по меньшей мере, одно отверстие, расположенное напротив первого электрода.
На фиг.3 (вид со стороны второго электрода) показан экран 11 с тремя отверстиями другой формы - 12, 13 и 14, а также первый электрод 1. При таком расположении нескольких отверстий и такой их форме (по сравнению с одним большим отверстием 4, фиг.1) проникновение акустических колебаний в область коронного разряда и их влияние на разряд еще меньше, а поэтому еще меньше нестабильность коэффициента преобразования акустического преобразователя. Для минимального (в пределе пренебрежимо
малого) перекрытия пучка заряженных частиц стенками между отверстиями в экране, ширина этих стенок делается на столько узкой, на сколько это позволяет механическая прочность материала.
Вариант конструкции преобразователя по п.4 формулы полезной модели показан на фиг.4.
Преобразователь, фиг.4, содержит следующие дополнительные элементы. Первый дополнительный 15 и второй дополнительный 16 электроды, подключенные к первому выводу 2. Второе отверстие 17 и третье отверстие 18 в экране 3, расположенные, соответственно, напротив первого дополнительного 15 и второго дополнительного 16 электродов. Третий дополнительный 19, четвертый дополнительный 20 и пятый дополнительный 21 электроды, подключенные к первому выводу 2. Дополнительный экран 22 с отверстиями 23, 24, и 25, расположенными, соответственно, напротив третьего дополнительного 19, четвертого дополнительного 20 и пятого дополнительного 21 электродов.
Количество дополнительных электродов выбрано произвольно. Газовый промежуток и дополнительные газовые промежутки цифрами не отмечены.
Преобразователь, фиг.4, работает аналогичным, описанным выше образом. При его работе коронируют электроды (группы электродов) 1, 15, 16 и 19, 20, 21, расположенные по обе стороны второго электрода 5. Ионы движутся ко второму электроду с двух противоположных сторон и, при соприкосновении с ним, отдают ему свой заряд.
Конструкция преобразователя по п.4 формулы полезной модели наиболее сложная и дорогая, но, как показывает опыт, позволяет получить больший выигрыш в чувствительности преобразователя при меньших его габаритах. Преобразователь такой конструкции целесообразно использовать преимущественно для регистрации очень слабых акустических сигналов.