Устройство для контроля наличия акустических колебаний
Устройство для контроля наличия акустических колебаний относится к измерительной технике, в частности, к акустическим измерениям, и может быть использован при контроле наличия акустических колебаний при работе акустических приборов ультразвуковой частоты. В его состав входят микрофон 1, на мембране которого закреплена стойка 2, на противоположном конце которой установлена дополнительная мембрана 3, выполненная из материала, зеркально отражающего звуковые волны, размеры которой не меньше длины волны в нижнем ультразвуковом диапазоне частот контролируемых приборов. Микрофон через устройство 4 обработки электрического сигнала соединен с индикатором. Устройство позволяет расширить номенклатуру по частоте ультразвуковых приборов, которую можно контролировать предлагаемым устройством в производственном процессе.
Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к акустическим измерениям, и может быть использована при контроле наличия акустических колебаний при работе акустических приборов ультразвуковой частоты.
Необходимость контроля наличия акустических колебаний актуальна, в основном, для ультразвуковых установок, в которых их присутствие человек не слышит.
Известно устройство для определения наличия акустических колебаний (Макаров Л.О., Акустические измерения в процессе ультразвуковой технологии, М., Машиностроение, 1983, с.5), в состав которого входит источник света и микроскоп с окулярной шкалой. При контроле колебательной системы, ее располагают так, что, что ее акустическая ось перпендикулярна оптической оси источника светового излучения, совмещают с ней неподвижно установленную излучающую поверхность колебательной системы, освещают колеблющуюся поверхность и по изменению ширины зоны частичной тени визуально измеряют наличие колебаний. При работе ультразвуковой колебательной системы излучающая поверхность движется по гармоническому закону. Исходя из этого, положение границы раздела освещенной зоны и зоны перекрытия светового потока (зона тени) изменяется также по гармоническому закону.
Недостаток рассмотренного устройства связан с невозможностью осуществления контроля колебательных систем устройств, генерирующих мощные ультразвуковые колебания.
Известно устройство для контроля наличия акустических колебаний (Патент РФ 
2225599), содержащее микрофон, оптически сопряженный источник света, отражающее зеркало, выполненное частично пропускающим световое излучение, периодическую систему, содержащую фотоэлементы, и спектроанализатор, при этом мембрана микрофона выполнена в виде прозрачной плоскопараллельной пластинки, которая прогибается под воздействием давления, на одну поверхность пластинки нанесен тонкий частично пропускающий слой, рассеивающий или поглощающий энергию электрического поля стоячей световой волны, а упомянутая пластинка расположена между источником светового излучения и отражающим зеркалом, под определенным углом 
. В слое образуется система интерференционных полос, регистрацию которой можно осуществить в виде сигнала пространственной частоты с периодом следования d. При воздействии на частично пропускающий слой одновременно со световым излучением звуковыми колебаниями изменяется период следования d интерференционных полос, так как тонкий слой прогибается как мембрана под действием звукового давления и при этом меняется угол .
Достоинством рассматриваемого устройства является возможность контроля наличия акустических колебаний в широком диапазоне частот. Но конструктивно - это сложный прецизионный прибор, который можно использовать только в лабораторных условиях.
Наиболее простыми устройствами, которые могут быть использованы в производственных условиях являются микрофоны, в которых звуковое давление, воздействующее на мембрану, преобразуется в регистрируемый электрический сигнал. К таким устройствам относятся, в частности, микрофоны пьезоэлектрического типа, электретные или конденсаторные микрофоны, мембрана которых выполнена в виде тонкой, натянутой металлической обкладки конденсатора. Под воздействием звукового давления мембрана прогибается и происходит изменение емкости конденсатора, включенного в электрический контур (Блинова Л.П., Колесников А.Е. и др. Акустические измерения. М.: Издательство стандартов, 1971, с.26-28). Микрофон является наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству для контроля наличия акустических колебаний.
Основной его недостаток - низкая граница верхнего частотного диапазона - даже у самых широкополосных из них она расположена в низкочастотной области ультразвукового диапазона частот.
Задачей, решаемой предлагаемой полезной моделью, является разработка простого, пригодного для использования в производственных условиях устройства для определения наличия колебаний ультразвуковой частоты в широком диапазоне частот.
Поставленная задача решается за счет того, что, устройство содержит микрофон, соединенный через устройство обработки электрического сигнала с индикатором. Но, в отличие от известного, в предлагаемом устройстве на мембране микрофона закреплена стойка, на противоположном конце которого установлена дополнительная мембрана, выполненная из материала, обеспечивающего зеркальное отражение звуковых волн, а размеры которой не меньше длины волны в нижнем ультразвуковом диапазоне частот контролируемых приборов.
Достигаемым техническим результатом является расширение частотного диапазона применения предлагаемого устройства. Это означает расширение номенклатуры по частоте ультразвуковых приборов, которую можно контролировать предлагаемым устройством в производственном процессе.
Технический результат достигается за счет того, что для измерений используют мембрану со свойствами, которые позволяют сформировать стоячую волну: она должна зеркально отражать звуковые волны, а минимальный ее размер не должен быть меньше длины ультразвуковой волны в нижнем контролируемом диапазоне. Эти конструктивные особенности мембраны дают возможность формировать стоячую волну на определенных теоретически известных расстояниях от источника звуковых колебаний. Перемещение мембраны вдоль направления распространения колебаний обеспечивает ее последовательное попадание в плоскости, обеспечивающие создание условий образования стоячей волны, в которых давление будет максимальным. Это давление воспринимается дополнительной мембраной и передается через стойку на мембрану микрофона. Частота появления пучностей давления ниже частоты ультразвуковых колебаний на несколько порядков, поэтому обычный микрофон может их отработать.
Изобретение иллюстрируется чертежом, на котором схематически показана пример выполнения предлагаемого устройства для контроля наличия ультразвуковых колебаний.
Рассмотрим пример реализации устройства. В его состав входит микрофон 1, на мембране которого закреплен стержень 2. На противоположном конце стержня установлена дополнительная мембрана 3, которая выполнена из материала, обеспечивающего зеркальное отражение ультразвуковых колебаний от нее. Она может быть выполнена так же, как и мембрана микрофон, из никеля, толщиной 0,2 мм. В рассматриваемом примере размер пластины равен 8 см. т.е. в несколько раз больше, чем длина волны на частоте 20 кГц. Микрофон 1 соединен через устройство 4 обработки электрического сигнала с индикатором 5.
Для контроля наличия ультразвуковых колебаний помещают дополнительную мембрану напротив излучающего торца ультразвукового преобразователя 6 и начинают перемещать мембрану в направлении распространения колебаний. Так как материал мембраны выбран из условия максимального отражения, происходит практически полное отражение звуковых волн. В плоскостях, которые не обеспечивают образование стоячей волны, колебания взаимно гасят друг друга. В моменты прохождения мембраной плоскости образования стоячей волны на мембрану будет воздействовать максимальное давление. Дополнительная мембрана 3 соединена стержнем с мембраной микрофона, в котором формируется электрический сигнал при воздействии на него звукового давления. Электрическая цепь микрофона включает устройство 4 обработки электрического сигнала, например, усилитель, который соединен с индикатором. В качестве последнего могут быть использованы самые простые приборы, в том числе и вольтметр, смещение стрелки которого будет сигнализировать о наличие звуковых колебаний. Перемещать дополнительную мембрану можно как в направлении от излучателя, так и в противоположном направлении. При контроле работы ультразвукового преобразователя, частота которого равна 20 кГц и при перемещении мембраны со скоростью приблизительно 8 см в секунду, регистрируемая частота не превышает 10 Гц (
=c/f, где - длина волны, c - скорость ультразвука в воздухе, f - частота ультразвуковых колебаний). При частоте ультразвукового излучателя равной 200 кГц, регистрируемая частота равна 100 Гц, при 2 МГц регистрируемая частота равна 1000 Гц. Эти значения частот вполне укладываются в частотный диапазон микрофона. При уменьшении скорости перемещения дополнительной мембраны регистрируемая частота уменьшается пропорционально уменьшению скорости.
Описание предлагаемого способа доказывает возможность его осуществления и достижение технического результата - расширение номенклатуры по частоте ультразвуковых приборов, которую можно контролировать предлагаемым способом в производственном процессе.
Устройство для контроля наличия акустических колебаний, содержащее микрофон, соединенный через устройство обработки электрического сигнала с индикатором, отличающееся тем, что на мембране микрофона закреплена стойка, на противоположном конце которой установлена дополнительная мембрана, выполненная из материала, обеспечивающего зеркальное отражение звуковых волн, а размеры которой не меньше длины волны в нижнем ультразвуковом диапазоне частот контролируемых приборов.
