Акустический преобразователь

Авторы патента:

H04R23 - Прочие преобразователи, не отнесенные к группам H04R 9/00-H04R 21/00

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. Технический результат, а именно, увеличение чувствительности акустического преобразователя, достигается снабжением преобразователя, по меньшей мере, одним дополнительным электродом, который расположен в газе относительно второго электрода либо со стороны первого электрода, либо с противоположной стороны и подключен либо к первому выводу, либо к соответствующему ему дополнительному выводу. 1 н.п., 2 илл.

Известные преобразователи (именуемые капсюлями), используемые в микрофонах и приборах, по принципу действия делятся на конденсаторные, угольные, пьезоэлектрические, электродинамические и электромагнитные.

Действие угольного преобразователя (капсюля) [Иофе В.К., Корольков В.Г., Сапожков М.А. Справочник по акустике М., Связь, 1979, с.90-91] основано на изменении сопротивления между зернами угольного порошка при изменении давления на их совокупность. Преобразователь имеет ограниченный частотный диапазон со стороны низких частот.

Действие электромагнитного и электродинамического преобразователей [Иофе В.К., Корольков В.Г., Сапожков М.А. Справочник по акустике М., Связь, 1979, с.91-92, 112- 121] 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. Величина выходного сигнала пропорциональна скорости колебательного движения диафрагмы, что ведет к ограничению частотного диапазона со стороны низких частот.

В пьезоэлектрическом преобразователе [М.А.Сапожков Электроакустика М., Связь, 1978, с.107-108], при деформации пластинки пьезоэлектрика, на противоположных плоскостях пластинки появляются заряды разных знаков. При этом величина заряда на плоскостях пластинки пропорциональна скорости изменения давления на пластинку. Это ограничивает диапазон рабочих частот устройств 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]. В двунаправленных устройствах с двумя неподвижными электродами и расположенной между ними мембраной, с целью обеспечения двунаправленной работы, неподвижные электроды имеют сквозные отверстия. Через эти отверстия газовые промежутки между мембраной и неподвижными электродами соединены с атмосферой. Из-за наличия отверстий частотный диапазон таких устройств ограничен со стороны низких частот. Ненаправленные преобразователи содержат два электрода - подвижный и неподвижный. Электроды разделены газом и образуют конденсатор. Примером такого устройства является преобразователь [патент РФ №2114519, МПК H04R 19/00. Дата публикации 27.06.1998]. Недостатком устройства также является ограниченный частотный диапазон со стороны низких частот. Это происходит из-за наличия в нем специального канала - штуцера с капилляром, соединяющего газ между электродами с атмосферой и предназначенного для выравнивания давления.

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], содержащий два электрода, разделенные между собой газом 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.

Первый электрод преобразователя при работе находится под высоким напряжением отрицательной полярности, а второй электрод имеет низкий

потенциал (в идеале нулевой), что обеспечивается низким (в идеале нулевым) сопротивлением между выводами второго электрода и землей.

Ионы образуются при стационарном газовом разряде, который возникает в газе, 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 (выполненного в виде витка 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 электроотрицателых 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 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 газе между электродами, 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 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 капсюля, представляет собой выходной ток через этот вывод. Выходные сигналы преобразователя являются токовыми. Описанный преобразователь имеет линейную характеристику коэффициента преобразования.

Недостатком преобразователя является низкая чувствительность.

Чувствительность в данном случае определяется как отношение изменения амплитуды выходных токовых сигналов к изменению амплитуды гармонических акустических колебаний. Так как известный преобразователь имеет линейную характеристику коэффициента преобразования, его чувствительность равна отношению амплитуды выходных токовых сигналов к амплитуде гармонических акустических колебаний.

Чувствительность известного преобразователя, работа которого основана на использовании эффекта отклонения пучка заряженных частиц акустическими колебаниями среды, зависит (при постоянном расстоянии между электродами) только от величины тока пучка заряженных частиц, собираемых на втором электроде. Низкая чувствительность этого преобразователя обусловлена малой величиной тока пучка заряженных частиц, собираемых на втором электроде. Ток короны и пучка зависит от величины высокого напряжения на первом - коронирующем электроде. При увеличении напряжения растет ток пучка а, следовательно, растет и величина выходных сигналов и чувствительность преобразователя, но максимально допустимая величина высокого напряжения всегда ограничена напряжением электрического пробоя газа между электродами.

Задача настоящей полезной модели состоит в увеличении чувствительности акустического преобразователя.

Поставленная задача решается тем, что акустический преобразователь, содержащий два электрода, разделенные между собой газом и, по меньшей мере, три вывода, первый из которых подключен к первому электроду, а другие выводы подключены ко второму электроду, снабжен, по меньшей мере, одним дополнительным электродом, который расположен в газе относительно второго электрода либо со стороны первого электрода, либо с противоположной стороны и подключен либо к первому выводу, либо к соответствующему ему дополнительному выводу.

Предлагаемые изменения конструкции, а именно - снабжение преобразователя, по меньшей мере, одним дополнительным электродом, который расположен в газе относительно второго электрода либо со стороны первого электрода, либо с противоположной стороны и подключен либо к первому выводу, либо к соответствующему ему дополнительному выводу, позволяют увеличить суммарный ток заряженных частиц, собираемых на втором электроде без электрического пробоя газа между электродами. Чем больше суммарный ток заряженных частиц, тем больше токи, протекающие от области сбора заряда к тем выводам преобразователя, которые подключены к его второму электроду. Следовательно, при неизменной амплитуде акустических колебаний, увеличивается амплитуда колебаний токов через указанные выводы преобразователя, то есть увеличивается чувствительность акустического преобразователя.

На фиг.1 представлено расположение элементов конструкции заявляемого акустического преобразователя.

На фиг.2 показана область сбора заряженных частиц на втором электроде. Преобразователь содержит следующие элементы. Первый электрод 1, подключен к первому выводу 2 и отделен газом 3 от второго электрода 4. Второй электрод 4 участком 5 подключен ко второму выводу 6, а участком 7

подключен к третьему выводу 8. Первый дополнительный электрод 9, второй дополнительный электрод 10, а также третий дополнительный электрод 11 расположены (в данном примере реализации) относительно второго электрода 4 с той же стороны, что и первый электрод 1, подключены к первому выводу 2 и отделены газом 3 от второго электрода 4.

Первый электрод, а также дополнительные электроды могут быть выполнены из проволоки, например, в виде замкнутого витка, квадратной или прямоугольной рамки, или иной другой формы. В данном примере рассматриваются витки из проволоки с полированной поверхностью.

Второй электрод, с целью повышения электрического сопротивления между участками, к которым подключаются выводы преобразователя, желательно выполнить из тонкого материала, например, из проводящей пленки или тонкой фольги. Он может быть выполнен в форме круга, квадрата или иной другой формы. В данном случае рассматривается электрод из тонкой фольги в форме круга.

Заявляемый акустический преобразователь, работают следующим образом.

Первый вывод 2 преобразователя подключен к выходу источника высокого напряжения (на фиг.1 не показан).

На первый 1, первый дополнительный 9, второй дополнительный 10 и третий дополнительный 11 электроды от источника напряжения подается высокое напряжение отрицательной полярности.

Второй электрод 4 имеет низкий потенциал (в идеале нулевой), что обеспечивается низкими (в идеале стремящимися к нулю) сопротивлениями между выводами второго электрода и землей. Это могут быть сопротивления резисторов (на фиг.1 не показан), на которых при протекании тока падает напряжение по величине на порядки меньшее, чем высокое напряжение на коронирующих электродах, либо активные преобразователи ток -напряжение (на фиг.1 не показаны) на основе операционных усилителей, имеющих очень низкое (доли Ома) входное сопротивление.

Ионы образуются при стационарном газовом - коронном разряде, который возникает у поверхностей первого 1, первого дополнительного 9, второго дополнительного 10, а также третьего дополнительного 11 электродов, обращенных ко второму электроду 4. При этом коронируют поверхности каждого из этих электродов, обращенные в сторону второго электрода 4.

Образованные при коронном разряде 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.

При рассмотрении электрического тока в газе, можно говорить как о нескольких пучках заряженных частиц (в данном случае о четырех, по количеству коронирующих электродов 1, 9, 10 и 11), так и об одном общем или суммарном пучке заряженных частиц.

Конфигурация области сбора заряженных частиц на втором электроде 4 (аноде) зависит от геометрии коронирующих электродов 1, 9, 10 и 11 (катодов), их взаимного расположения и расстояния до второго электрода 4. В данном конкретном случае, когда расстояние от коронирующих электродов до второго электрода 4 превышает их диаметр более чем в два-три раза, область сбора частиц 12 на поверхности второго электрода 4 имеет (напоминает) форму, показанную на фиг.2, с размытыми границами. Такая форма (и размытие границ области) обусловлена расширением пучков заряженных частиц при их движении ко второму электроду 4.

Положение области сбора заряда ионов 12 на втором электроде 4, фиг.2, 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 газе между электродами, в поперечном электрическому полю направлении, то на направленное движение ионов по полю накладывается их колебательное движение как переносчиков (наравне с молекулами газа) этих акустических колебаний. В данном примере, фиг.1, предполагается

колебательное движение пучка ионов в вертикальном направлении (или плоскости). 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 ионов, 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 его участкам 5 и 7, фиг.1, фиг.2, которые подключены к соответствующим им выводам 6 и 8 преобразователя, и далее перемещается к этим выводам.

Совокупность движущихся 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 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 12, фиг.2. Например, если в данный интервал времени, область сбора заряженных 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 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 выходной ток через этот вывод.

В отличие от известного устройства, благодаря наличию дополнительных коронирующих электродов, создается больший суммарный ток заряженных частиц, движущихся ко второму электроду. Чем больше этот ток, тем больше токи, протекающие от области сбора заряда к тем выводам преобразователя, которые подключены к его второму электроду. Следовательно, при неизменной амплитуде акустических колебаний увеличивается амплитуда колебаний токов через указанные выводы преобразователя, то есть увеличивается его чувствительность.

Дополнительные коронирующие электроды, с таким же техническим результатом, можно расположить относительно второго электрода не с той же стороны, что и первый электрод, а с противоположной стороны второго электрода. Можно одновременно с обеих сторон, и при этом, не смотря на большие технические сложности, как показывает опыт, можно получить больший выигрыш в чувствительности преобразователя при меньших его габаритах. При больших токах пучков заряженных частиц, мощности (максимального выходного тока) одного источника высокого отрицательного напряжения может быть не достаточно. В этом случае может потребоваться, по меньшей мере, один дополнительный источник высокого напряжения и, по меньшей мере, один дополнительный вывод преобразователя, на который подается высокое напряжение от дополнительного источника, и к которому при этом должна быть подключена часть коронирующих электродов.

Таким образом, увеличение чувствительности акустического преобразователя достигается снабжением преобразователя, по меньшей мере, одним дополнительным электродом, который расположен в газе относительно второго электрода либо со стороны первого электрода, либо с противоположной стороны и подключен либо к первому выводу, либо к соответствующему ему дополнительному выводу.

Акустический преобразователь, содержащий два электрода, разделенные между собой газом и, по меньшей мере, три вывода, первый из которых подключен к первому электроду, а другие выводы подключены ко второму электроду, отличающийся тем, что он снабжен, по меньшей мере, одним дополнительным электродом, который расположен в газе относительно второго электрода либо со стороны первого электрода, либо с противоположной стороны и подключен либо к первому выводу, либо к соответствующему ему дополнительному выводу.