Преобразователь акустического давления и способ его изготовления

 

Использование: изобретение относится к измерительной технике и может быть ис7 , (-. -..... . ж . S (-. пользовано для проектирования гидрофонов , в том числе для низких и инфранизких частот, а также для создания датчиков постоянного давления. Изобретение может быть использовано в гидролокации, в системах подводной связи, при исследовании внутренних волн в океане, в сейсмологии, в медицине. Цель изобретения состоит в повышении чувствительности и расширении динамического диапазона. В электролитическую ячейку преобразователя вводят, наряду с электролитом 3, частички 4 наполнителя. В качестве наполнителя используют частицы закрытопористого материала , например пенопласта сферической формы одного радиуса, при плотной их упаковке в межэлектродном пространстве ячейки. Изготовление электролитической ячейки производят путем заполнения ее частицами и электролитом при ультразвуковом воздействии. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 3 ил, 5 2(8) 00 сл ы ю

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

1778579 А1 (я)5 G 01 1 11/00

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕ НТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ г(г) К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4844646/10 (22) 02.04.90 (46) 30.11.92. Бюл, N 44 (71) Ленинградский государственный университет (72) С.В.Волков, B.M.Êðÿ÷êî, H.Ã.Ñåìåíoâà и H.È.Ñòóïàêåâè÷ (56) 1. Мазур В.И. и Шрачев В.Н. Электрохимические индикаторы, M.: Радио и связь, 1985.

2. Алексес.в С,С„, Казанцев М.Ю., Крячко

В.М. Электролитические датчики звука. Труды И Дальневосточной акустической конференции. Сб. "Акустические средства исследования океана", Владивосток, 1986, с.56-58. (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ АКУСТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ (57) Использование: изобретение относится к измерительн >й технике и может быть использовано для проектирования гидрофонов, в том числе для низких и инфранизких частот. а также для создания датчиков постоянного давления. Изобретение может быть использовано в гидролокации, в системах подводной связи, при исследовании внутренних волн в океане, в сейсмологии, в медицине. Цель изобретения состоит в повышении чувствительности и расширении динамического диапазона. В электролитическую ячейку преобразователя вводят, наряду с электролитом 3, частички 4 наполнителя. В качестве наполнителя используют частицы закрытопористого материала, например пенопласта сферической формы одного радиуса, при плотной их упаковке в межэлектродном пространстве ячейки, Изготовление злектролитической ячейки производят путем заполнения ее частицами и электролитом при ультразвуковом воздействии. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 3 ил, 1778579

Расчеты показывают, что преобразователи с газовыми пузырьками имеют чувствительность на полтора-два порядка выше, чем при использовании сплошного электролита. Однако она все же остается низкой и g5 недостаточной для измерения малых давлений и, кроме того, использование газовых пузырьков в электролите, заполняющем ячейку, практически бесперспективно из-за нестабильности такой среды во времени.

Изобретение относится к области измеригельной техники. Оно может быть использовано в технической акустике для проектирования гидрофонов, особенно для области низких частот. Его также можно использовать для создания датчиков постоянного давления, Известен преобразователь акустического давления (1), наиболее близкий к предлагаемому изобретению, Преобразователь представляет электролитическую ячейку, включенную в равноплечный мост.

Ячейка имеет звукопрозрачный корпус, Все устройство содержит также измеритель разбаланса моста.

Электролитическую ячейку для измерения акустического давления изготавливают следующим образом. Устанавливают плоскопараллельные электроды, дегазируют электролит и заполняют им межэлектродное пространство, герметизируют ячейку.

При отсутствии внешнего воздействия мост сбалансирован, если давление в среде изменяется, то изменяется электропроводность электролита ячейки, т.е. ее сопротивление, нарушается баланс моста, Величину изменения сопротивления или разбаланса моста можно сопоставить с величиной измеряемого акустического давления.

Акустические приемники, построенные на этом принципе, обладают такими хорошими характеристиками, как большой частотный диапазон, очень маленькое внутреннее сопротивление, способность измерять и постоянное давление, черезвычайная простота конструкции. Однако один недостаток делает их непригодными для практического применения: очень низкая чувствительность 10 В/Па, т,е, неспособность измерять небольшие давления, Там же в (1) указано на возможность повышения чувствительности таких приемников. Например, если в электролит межцу электродами ячейки ввести газовые пузырьки, то изменениеэлектропроводности будет в основном определяться не изменением свойств жидкости, а изменением объемов газовых пузырей под действием избыточного давления, 5

Целью изобретения является повьнцение чувствительности преобразователя, расширение динамического диапазона при одновременном улучшении временной стабильности.

Цель достигается тем, что в известном преобразователе акустического давления, содержащем звукопрозрачный корпус г. двумя электродами, заполненном сплошным электролитом. в соответствии с изобретением, в пространство между электродами вводят непроводящий наполнитель, выполненный в виде отдельных частиц.

Кроме того, поставленная цель достигается тем, что объемно сжимаемые частицы выполнены из материала с зэкрытопористой структурой и имеют сферическую форму одинакового радиуса.

Помимо того объемная концентрация сжимаемых частиц равна 0,74, Цель достигается тем, что в известном способе изготовления электролитической ячейки преобразователя акустического давления, заключающемся в установке в корпусе плоскопараллельных электродов, дегазации электролита и заполнении им ме>кэлектродного пространства и последующей герметизации ячейки, в соответствии с изобретением, межэлектродное пространство заполняют вначале неэлектропроводным наполнителем, производят уплотнение наполнителя до состояния наиплотнейшей упаковки ультразвуковыми колебаниями, причем в процессе уплотнения в межэлектродное пространство вводят электролит, а затем герметизируют ячейку.

На фиг,1 представлено схематически устройство электролитической ячейки преобразователя акустического давления: 1 корпус, 2 — плоскопараллельные пластинчатые электроды, 3 — электролит, 4 — частички наполнителя, 5 — звукопрозрачная диафрагма, На фиг.2 представлены экспериментальные зависимости относительного изменения э л е к т р о и р о в о д н о с т и Л убг7 электролита с наполнителем от избыточного давления ЬР для разных объемных концентраций наполнителя: 1 — 0,40 0,06; 2 — 0,028< 0,004; 3 — 0,019%,003; 4 — 0,009 0,002. Электролит — технический глицерин, содержащий ионы примесей, наполнитель — гранулы пенопласта сферической формы. На фиг.3 представлена экспериментальная зависимость напряжения разбаланса моста U от избыточного давления в среде Ь P для преобразователяя с водным электролитом и наполнителем из .пенопластовых гранул с P =- 0,74, Сущность изобретения состоит R том. что наличие в электролите ча;.тиII, непрпво1778579 дящего легкосжимаемого материала резко повышает сжимаемость среды, а поэтому и чувствительность всего устройства. Частички конденсированного вещества несложно зафиксировать в межэлектродном пространстве и получить устойчивую во времени систему. Из-за повышения чувствительности на несколько порядков на столько же понижается нижняя граница динамического диапазона, В сравнении с устройством, использующим в качестве включений газовые пузырьки, поднимается и верхняя граница динамического диапазо-. на, т,к, нелинейность в деформации газовых пузырьков сказывается при давлении в доли атмосферы, а в деформации конденсированного вещества — при давлениях на порядки больших. Использование сферических частиц одного радиуса из материала с закрытопористой структурой Iloзволяет технологически просто изготовить ячейку с объемной концентрацией 0,74, отвечающей условию наиплотнейшей упаковки и высокой чувствительности устройства, Кроме того, такие включения не добротны, не имеют резонансов, тем более при плотной упаковке, что ведет к расширению частотного диапазона.

Сопротивление электролитической ячейки, содержащей включения при большой объемной концентрации, из-за поверхностной проводимости может быть меньше сопротивления ячейки со сплошным электролитом. Это приводит к снижению уровня собственных шумов устройства и дополнительному понижению порога чувствительности. При малом внутреннем сопротивлении ячейки от сотен Ом до единиц кОм не возникает трудностей согласования преобразователя с измерительной аппаратурой.

Нижняя граница частотного диапазона устройства простирается от нуля частот, т,е, оно позволяет измерять и постоянные давления. Следуе г также отметить простоту устройства и дешевизну электролитических и реобразователей акустического давления.

Если преобразователь включен в схему равноплечного моста, то можно показать, что чувствительность устройства к изменению внешнего давления hP будет определяться формулой

К - — — Uî,/3о (1 /3о ) )(1

1 (Эо) где U< — амплитуда напряжения питания моста;Д вЂ” начальная объемная концентрация наполнителя; (Jl — электроп роводность электролита:р и C2 — плотность и скорость звука материала наполнителя; д — электропроводность среды между электродами ячейки.

5 Таким образом, чтобы найти теоретическую чувствительность, необходимо знать связь между электропроводностью ои объемной концентрацией наполнителя P . В электрохимии эта задача в настоящее время

10 до конца не решена. Дело в том, что при больших Р заметную роль в формировании электропроводности 0 начинает играть поверхностная проводимость частичек наполнителя за счет ионов двойного электрического слоя (2), Причем, если объемы непроводящих частиц снижают электропроводность среды, то поверхностные эффекты увеличивают ее. При некоторых значениях j4 эти два механизма могут скомпенсировать друг друга. Количественные параметры этого явления сложным образом связаны со свойствами используемого электролита, вещества частиц наполнителя, их формы и размеров, К сожалению, невозможно дать общую формулу для о (j3), учитывающую все эти факторы и пригодную для практических расчетов.

Анализ имеющихся материалов показывает, что произведение сомножителей

Д (1 Д ) (д(7/д/3)р должно иметь максимум при значениях j3 о в промежутке 0,51. Среди этих больших значений j3 более определенным и легче технически реализуемым является /Зкр = 0,74, отвечающее случаю наиплотнейшей упаковки шаров одинакового радиуса. Именно это значение

P р можно рекомендовать для составления сус пензии, запол н я ющей электролитиче40 скую ячейку, во всяком случае до разработки более четкой теории электрических явлений в суспензиях или до получения более охватывающих экспериментальных резул ьтатов.

На фиг,2 представлены полученные в эксперименте зависимости АоАг от избыточного давления hP в электролитической ячейке для технического глицерина с наполнителем из пенопластовых гранул сферической формы с разной начальной объемной концентрацией. Они иллюстрируют сложную связь объемов и поверхности включений в формировании электропроводности суспензий. Видно, что при разныхф знаки зависимо. стей Аа (h Р) могут быть разными.

На основании данных фиг.2 можно вычислить ожидаемую чувствительность преобразователя с таким заполнением при . включении его в схему равноплечного мос1778579 та. Оказалось, что для самой крутой зависимости 1 (Д = 0,4) при 00 = 10 В чувствительность равна К = 5,5 10 В/Па, что уже превышает чувствительность прототипа.

Было проведено экспериментальное исследование преобразователя конкретного исполнения. Электролитическая ячейка имела стеклянный корпус цилиндрической формы с двумя электродами из нержавеющей стали диаметром 2,2 см и расстоянием между ними 2 см. Ячейка заполнялась гра нулами пенопласта диаметром 2,5+ 0,5 мм до P--0,74 и водным раствором поваренной соли с массовой концентрацией соли 10 з.

Электрическое сопротивление ячейки оказалось равным 2,6 кОм, Ячейка была включена в схему равноплечного моста. Частота синусоидального напряжения генератора—

100 кГц, амплитуда — 10 В.

Устройство градуировалось в условиях квазистатического изменения давления в среде, окружающей ячейку. Для этого она помещалась в камеру с регулируемым давлением внутри. Избыточное давление Л P изменялось в диапазоне от 0 до 10 Па и изменялось манометром с точностью 3 10

Па.

Измерялась величина разбаланса моста

U от ЛР. Результат представлен на фиг,3.

Видно, что в пределах исследованного диапазона Л Р зависимость носит практически линейный характер, т.е. динамический диапазон устройства не менее 10 Па, Вычисленная из этой зависимости чувствительность оказалась равной (8,1+

Ю,5)10 В,/Па, что более чем на два порядка превышает чувствительность прототипа.

Такая чувствительность делает электролитические преобразователи пригодными для практического использования и конкурентноспособными с преобразователями других типов.

При изготовлении электролитической ячейки для предлагаемого преобразователя предлагаются следующие рекомендации.

На фиг 1 представлено схематическое устройство одной из конструкций, Корпус 1 выполнен из непроводящего материала, не вступающего в реакцию с электролитом (например, химически стойкие сорта стекол, фторопласт, полиэтилен. полипропилен), Имеются два плоскопараллельных электрода 2. Один из них А (по рисунку — нижний) сплошной и закреплен неподвижно. Второй —  — должен иметь свободу перемещения (например, по резьбе) и фиксации, Он имеет отверстия для прохождения электролита 3.

Сверху установлена звукопрозрачная диафрагма 5. Она может иметь минимальную

55 ственным, способным измерять как акустическое знакопеременное, так и постоянное давления.

Кроме того, использование в качестве наполнителя частичек из конденсированного вещества позволяет построить преобразователи со стабильными временными характеристиками.

Формула изобретения

1, Преобразователь акустического давления, выполненный в виде эпекгролитичесобственную упругость, т.к, основное ее назначение — отделить содержимое ячейки от окружающей среды.

Заполнение ячейки следует производить в следующем порядке. При убранном верхнем электроде и диафрагме она заполняется сферическими частицами до состояния наиплотнейшей упаковки.

Устанавливается верхний электрод до соприкосновения со слоем частиц, Ячейка ставится на поверхность ультразвукового преобразователя, который находится в ванне с водой или другой неагрессивной жидкостью, В ячейку заливается электролит и включаются ультразвуковые колебания.

Время ультразвукового воздействия определяется временем образования слоя чистого электролита под верхним электродом из-за уплотнения частиц и дегазации электролита, Выбранный и опробованный ультразвуковой режим; частота 18,5 кГц. Амплитуда колебательного смещения на поверхности ультразвукового преобразователя 5-10 мкм (не очень сильная кавитация). При необходимости, верхний электрод еще опускается и фиксируется. После этого устанавливается диафрагма.

Наличие мелких газовых пузырьков в пространстве между электродами корен. ным образом не ухудшит характеристики устройства, если газ не образует сплошной перегораживающей прослойки, разрывающей цепь тока. ю

Технико-экономическая эффективность по сравнению с базовым объектом, характеризующим мировой уровень техники, в качестве которого выбран (1). заключается, в первую очередь, в том, что путем введения в электролитическую ячейку легкосжимаемых частиц наполнителя определенной концентрации резко, на несколько порядков, повышается чувствительность преобразователя акустического давления, что при наличии других положительных качеств делает его пригодным для практического использования и конкурентноспособным с преобра-. зователями других типов. Предлагаемый преобразователь является чуть ли не един1776579 ской ячейки. содержащей заполненный электролитом корпус с мембраной и двумя плоскопараллельными электродами, один из которых перфорированный, отл и ча ю шийся тем, что, с целью повышения чувствительности и 5 расширения динамического диапазона, в нем в пространство между электродами введен неэлектропроводный наполнитель. выполнен в виде отдельных объемносжимаемых частиц.

2. Преобразователь по п,1, о т л и ч а ю- 10 шийся тем, что в нем объемносжимаемые частицы выполнены из материала с закрытопористой структурой и имеют сферическую форму одинакового радиуса, 3. Преобразователь по пп,1 и 2, о т л и- 15 ч а ю шийся тем, что в нем объемная концентрация сжимаемых частиц равна

0,74, 4, Способ изготовления преобразователя акустического давления, включающий изготовление электролитической ячейки путем установки в корпус плоскопараллельных электродов, дегазации электролита и заполнения им межэлектродного пространства, и последующую герметизацию ячейки с. помощью установки мембраны, о т л и ч аю шийся тем. что, с целью повышения чувствительности и расширения динамического диапазона преобразователя, межэлектродное пространство заполняют вначале электропроводным наполнителем, производят уплотнение наполнителя до состояния плотной упаковки ультразвуковыми колебаниями, причем в процессе уплотнения в межэлектродное пространство вводят электролит, а затем герметизируют ячейки.

1778579

Составитель И.Леонов

Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор И.Муска

Редактор

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина. 101

Заказ 4185 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5