Измерительный конденсаторный микрофон звукового давления и способ его сборки

Изобретение может быть использовано для измерения звукового давления в авиационной технике, машиностроении, в любой области народного хозяйства. Измерительный конденсаторный микрофон (ИКМ) содержит мембрану, задний электрод с перфорацией, два кольца-изолятора и ряд крепежных деталей для сборки в корпусе ИКМ. Одновременно натягивают мембрану на рабочей поверхности корпуса. Края мембраны сильно зажимают между корпусом и кольцом-изолятором. С помощью движения заднего электрода, на котором насажено первое кольцо-изолятор, образуют зазор между мембраной и задним электродом. Вырезают мембрану необходимого диаметра, вставляют в корпус ИКМ. Собирают основной узел ИКМ в отдельности так: на задний электрод устанавливают упор, первое кольцо-изолятор, затем на него ввертывают до конца другое кольцо-изолятор и на них последовательно устанавливают специальную гайку и контргайку. Этот собранный узел вставляют в корпус ИКМ с тыльной стороны мембраны. Окончательно натяжение мембраны осуществляют ввертыванием заднего электрода до образования зеркальной поверхности без гофра. Задняя полость ИКМ связана с атмосферой капиллярными отверстиями. Техническим результатом является снижение себестоимости. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения звукового давления в авиационной технике, машиностроении, в любой отрасли народного хозяйства (без ограничений).

Известна упрощенная конструкция измерительного конденсаторного микрофона, содержащего неподвижный электрод (задний электрод), мембрану, держатель. Мембрана отклоняется под действием давления. При этом возможны два основных случая:

1. Отклонение тонкой мембраны с пренебрежимо малой жесткостью на изгиб.

2. Отклонение защемленной мембраны толщиной, значительно меньшей размера диаметра, но обладающей значительной жесткостью на изгиб.

Для изготовления измерительных конденсаторных микрофонов предусмотрено дополнительное устройство (измерительных преобразователей давления). Это устройство состоит из тонкой пластины круглой формы, закрепленной по периферии, зажимной кольцевой гайки, скрепляющих колец и колец, припаиваемых к мембране и натягивающих последнюю.

Измерительный конденсаторный микрофон позволяет измерять статическое и динамическое давление на поверхности исследуемого объекта [Г.П.Нуберт Измерительные преобразователи неэлектрических величин, Л.: изд-во Энергия, 1978, 368, с.§3-4. Чувствительные элементы датчиков давления, стр.51-56, рис.3-19. §§4.4 Емкостные преобразователи, стр.255-259, рисунок 4-124; 4-125].

Недостатки этого устройства заключаются в том, что оно имеет высокую стоимость, низкую надежность за счет сложности сборки и натяга мембраны конденсаторного микрофона.

Известен способ изготовления измерительных конденсаторных микрофонов (ИКМ). Надежное крепление обеспечивают путем зажатия мембраны двумя наружными кольцами во внутренней кольцеобразной гайке с V-образным торцом, который при ввинчивании входит в соответствующий V-образный торец большого кольца, что обеспечивает равномерное натяжение мембраны ИКМ. Измеряемым параметром является перемещение центра мембраны при воздействии на нее давления.

Такое решение обеспечивает измерение давления на поверхности исследуемого объекта путем дополнительной механической обработки поверхности изделий для крепления ИКМ (Г.П.Нуберт Измерительные преобразователи неэлектрических величин, Л.: изд-во Энергия. 1970, 360. §3-4. Чувствительные элементы датчиков давления, стр.51-56, рис.3-19).

Недостатком способа изготовления ИКМ является то, что при сварке, пайке или наклейке действительное натяжение готовой мембраны может значительно отличаться от первоначального напряжения в оправке, вследствие чего получается большое количество брака. Такой способ крепления мембраны ИКМ является неэкономичным, получается большое количество отходов от материала металлической пленки мембраны.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению техническим решением является ИКМ, предназначенный для точных измерений звукового давления. ИКМ содержит защитную сетку, заднюю пластинку (задний электрод) с прорезью (является в одно и то же время второй обкладкой конденсатора и средством для демпфирования основного резонансного пика диафрагмы), маленькие отверстия (опорные или капиллярные отверстия), предназначенные для выравнивания статического давления, положительный электрод (токосъемный вывод), зажимную гайку (вторую контргайку), изолирующее зажимное кольцо (первое кольцо-изолятор), стеклянный изолятор (второе кольцо-изолятор), шпонку, регулятор напряжения диафрагмы (мембраны) и опору задней пластинки (задний электрод), диафрагму (мембрану). Изолятор изготовлен из синтетического сапфира или рубина. Часть конструкции за мембраной из нержавеющей стали (которая является корпусом ИКМ) используется для подавления первого резонанса, который возникает около 7000 Гц. Движение мембраны вызывает перемещение воздуха в прорезях заднего электрода. Чувствительность является функцией статического (атмосферного) давления и температуры. Расстояние между мембраной и задним электродом устанавливают с помощью винта. Мембрана, корпус и задний электрод из чистого никеля эффективно уменьшают зависимость чувствительности ИКМ от температуры. В сборке защитная сетка со всеми указанными деталями образует ИКМ.

Такой ИКМ позволяет измерять звуковое давление (относительное 2·10^-5 Па) от нескольких десятков дБ и больше без ограничения в диапазоне звуковых частот (Л.Беранек. Акустические измерения. Из-во И*Л. М: 1952, стр.127. Конденсаторные микрофоны фиг.114).

Недостаток этого ИКМ связан со сложностью изготовления и натягивания мембраны, из-за чего в процессе изготовления количество бракованных ИКМ больше. Этот производственный недостаток и изготовление заднего электрода и корпуса из высоконикелевого сплава увеличивает себестоимость ИКМ.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению техническим решением является способ сборки ИКМ для измерения звукового давления. Мембрану, задний электрод и регулятор натяжения мембраны изготавливают в отдельности, затем натягивают мембрану на корпус ИКМ и расстояние между мембраной и задним электродом устанавливают регулятором натяжения мембраны. Защитную сетку, корпус и регулятор натяжения мембраны изготавливают из нержавейки и при сборке обеспечивают электрический контакт между ними. Задний электрод электрически изолируют от корпуса и тоже изготавливают из нержавейки.

В процессе производства ИКМ подвергают воздействию высокой температуры (150°С) и искусственному старению для обеспечения долговременной стабильности технических параметров.

Статическое давление за мембраной выравнивают для достижения возможно точного определенного нижнего предела рабочего частотного диапазона.

Такой способ сборки ИКМ позволяет с высокой точностью измерить звуковое давление без ограничения диапазона давления и частоты в нормальных и экстремальных условиях (каталог фирмы Брюль и Къер любого года издания, например 1983/84 и т.д., в разделе конденсаторных микрофонов).

Недостатки способа сборки ИКМ: сложная технология натяжения мембраны, изготовления заднего электрода, обеспечения необходимого расстояния между мембраной и задним электродом (обкладки) и высокая себестоимость ИКМ.

Задачей настоящего изобретения является снижение себестоимости ИКМ за счет облегчения крепления мембраны с корпусом и натяжения мембраны и сборки ИКМ.

1. Технический результат достигается тем, что в измерительном конденсаторном микрофоне звукового давления, состоящем из защитной сетки, мембраны, заднего электрода с отверстиями, кольца-изолятора, гайки, двух контргаек, в нем на заднем электроде дополнительно установлено второе кольцо-изолятор, которое выступает над поверхностью заднего электрода, образуя зазор между задним электродом и мембраной, в гайке установлено три винта, смещенных между собой на 120°, в первом кольце-изоляторе соосно с винтами выполнено три отверстия, мембрана закреплена по окружности между упором, зажатым через кольцо-изолятор гайкой, тремя винтами и выступом в корпусе, причем гайка и контргайки снабжены шлицами, диаметр выступа D₂ меньше основного диаметра корпуса D в 1,17÷1,18 раз, задний электрод выполнен двухступенчатым, соотношение диаметра большей ступени D₃ к диаметру меньшей ступени D₄ составляет 1,18÷3,14.

2. Технический результат также достигается тем, что в способе сборки измерительного конденсаторного микрофона, в котором мембрану крепят на рабочей поверхности корпуса, фиксируют зазор между мембраной и задним электродом, задний электрод перфорируют, изолируют от корпуса, выполняют опорные отверстия для связи с атмосферой, мембрану, корпус и крышку электрически соединяют между собой, формируют вывод для съема электрического сигнала с выхода заднего электрода, в нем собирают пакет, состоящий из гайки и первого кольца-изолятора, в которых высверливают три отверстия, смещенных между собой на 120°, из нескольких пленок мембраны собирают технологический пакет, который располагают между двумя пластинами, в одной из пластин делают отверстие, из собранного пакета в зажатом положении вырезают мембраны заданного диаметра, на задний электрод устанавливают второе кольцо-изолятор, устанавливают мембрану в корпусе до упора с выступом на корпусе, затем закрепляют гайкой и пакет вставляют в корпус с помощью трех винтов, смещенных на 120°, дополнительно равномерно зажимают мембрану через упор, затем устанавливают контргайку со сформированным заранее зазором между мембраной и задним электродом, насаживают второе кольцо-изолятор, натяжение мембраны осуществляют ввертыванием заднего электрода до уровня сформированного зазора и образования зеркальной поверхности мембраны.

На чертеже изображена конструкция ИКМ в разрезе.

Конструкция ИКМ содержит мембрану 1, второе кольцо-изолятор 2, задний электрод 3 (ответную обкладку), упор 4, первое кольцо-изолятор 5, гайку 6 с тремя винтами 7, первую контргайку 8, токосъемный вывод 9, вторую контргайку 10, корпус 11 и крышку 12. Внешние размеры ИКМ - высота Н, диаметр D и размер h₃ - расстояние от токосъемного вывода 9 до среза корпуса 11 должны соответствовать требованиям конденсаторных микрофонов (по IEC 1094-1). Это объясняется тем, что повышается вероятность установки или замена зарубежных ИКМ предложенными ИКМ. Возможно использование (в частности, фирмы Брюль и Къер «Дания») акустической измерительной аппаратуры задатчиков давления для исследования и градуировки метрологических характеристик ИКМ.

Второе кольцо-изолятор можно изготовить из любого диэлектрика в зависимости от условия эксплуатации ИКМ. Наиболее распространенными являются сапфир, стекло и т.д. Наружный диаметр второго кольца-изолятора 10-10,5 мм, внутренний диаметр от 3 до 8 мм. От внутреннего диаметра зависит чувствительность ИКМ. Коэффициент приращения (чувствительности) ИКМ определяют как ,

где Р - давление, действующее на мембрану 1; ΔС - приращение емкости; С - начальная емкость ИКМ; а - внутренний радиус второго кольца-изолятора 2; μ - коэффициент Пуассона материала мембраны; Е - модуль упругости материала мембраны; δ - толщина мембраны; t - зазор между мембраной и задним электродом.

Материал мембраны можно выбрать из любого высококачественного сплава, используемого в тензометрии. Рекомендуемые - никель, сплав из феррумникеля, нихром и т.д. Задний электрод 3 изготавливают из нержавейки. При выборе материала предпочтение можно отдать степени стабильности формы мембраны, мало расширяющимся и высокотемпературным сплавам, например сплаву из феррумникеля. Материал корпуса 11 ИКМ должен быть абсолютно жестким, чтобы исключить любое искривление в процессе его эксплуатации. Рекомендуемые материалы для изготовления корпуса 11 и защитной крышки 12 - латунь, никель, нержавейка, дюралюминий и т.д. Для защиты от внешних воздействий не исключено анодирование последних деталей.

Воздушная прослойка (зазор) между мембраной и задним электродом увеличивает жесткость и снижает чувствительность к звуковому давлению. Чтобы снизить влияние воздушной прослойки на задний электрод, в нем выполняют отверстия от 4 до 8 шт. диаметром d=0,4-0,6 мм. Отличительная особенность заднего электрода в сравнении с выбранным типом ИКМ прототипа заключается в том, что задний электрод выполнен из двух ступеней. Соотношение большего диаметра (9,4-9,5 мм) (нижней ступени) к меньшему диаметру (3-8 мм) (верхней ступени) составляет 1,18-3,14, и по всей длине токосъемного вывода 9 заднего электрода 3 образована резьба М3. Кончик токосъемного вывода 9 сферической формы с высотой сферы = 1,3÷1,5 мм. Крепежная деталь - упор 4 выполнен из того же металла, что и корпус. Корпус ИКМ с тыльной поверхности мембраны выполнен с выступом h₂=0,9÷1,0 мм с диаметром меньше основного диаметра корпуса

.

Зазор между лицевой частью мембраны и крышкой h₁=0,35÷0,4 мм. Зазор между мембраной и задним электродом t=50÷60 мкм.

Первое кольцо-изолятор 5 высотой l изготовлено из диэлектрика, как и второе кольцо-изолятор 2. В отличие от изолятора ИКМ, описанного в прототипе, в первом кольце-изоляторе 5 по всей длине l сформирована резьба М3. На поверхности первого кольца-изолятора 5 на равном расстоянии друг от друга по окружности диаметром D1 сформированы три отверстия с диаметром d1=2,4÷2,5 мм, смещенных между собой на 120°. Через эти отверстия проходят три винта 7, ввернутых в гайку 6 для равномерного защемления мембраны гайкой 6. Защемление мембраны происходит по всей окружности мембраны. Гайки 6 и контргайки 8, 10 имеют шлицы (по наружному диаметру) для отвертки. Первая и вторая контргайки 8, 10 тоже выполнены из стали 45. ИКМ с внешней цепью соединяется через сферический токосъемный вывод 9.

Принцип работы ИКМ. При изменении звукового давления ΔР изменяется расстояние между мембраной t и задним электродом 2 из нержавейки. В результате прогиба мембраны 1 относительно электрода 2 изменяются начальная емкость С, приращение емкости ΔС и относительное изменение емкости . Напряжение на выходе ИКМ изменяется пропорционально приращению и напряжению поляризации. Выходное напряжение ИКМ измеряют между токосъемным выводом 9 и корпусом 11. Напряжение поляризации 200 В подают между мембраной 1 и корпусом 11.

Сборку ИКМ осуществляют следующим образом.

Этап первый. Изготавливают мембрану 7, второй и первый кольца-изоляторы 2; 5, задний электрод 3, упор 4, гайку 6, винты 7, первую и вторую контргайки 8; 10, корпус 11 и крышку 72.

Этап второй. Собирают в один пакет гайку 6 и первое кольцо-изолятор 5, высверливают в нем (формируют) три отверстия диаметром d1, смещенные между собой на 120°.

Этап третий. Из пленок мембраны в количестве от 10 до 20 шт. собирают пакет, его располагают между двумя пластинами, одна из пластин с отверстиями (перфорированная). Диаметр перфорации пластин равен диаметру заготовки мембраны. Собранный пакет в зажатом положении устанавливают на управляемый программный станок, с помощью перового сверла вырезают мембрану диаметром заготовки 10 мм. Возможен другой способ изготовления мембраны. Можно вырезать мембрану путем вырубки специально изготовленной трубкой необходимого диаметра.

Одновременно перфорируют задний электрод диаметром d. Устанавливают мембрану 7 в корпусе 11 тыльной стороной до упора (см. чертеж) с выступом h₂ на корпусе, т.е. мембрану устанавливают не со стороны подачи давления P на мембрану. Соприкосновение мембраны с корпусом обеспечивает хороший электрический контакт мембраны с корпусом 11.

Этап четвертый. Независимо от этапов (от первого до третьего) в отдельности основной узел собирают так: на задний электрод 3 устанавливают упор 4 и второе кольцо-изолятор 2, затем навертывают на него до конца первое кольцо-изолятор 5 и все вместе вставляют (размещают) в корпусе 11 (с тыльной поверхности мембраны). Затем закрепляют гайкой 6 и с помощью трех винтов 7, смещенных между собой на 120°, дополнительно равномерно зажимают мембрану 1 через упор 4. Затем устанавливают первую контргайку 8. Причем сборку ИКМ в корпусе в отличие от существующих сборок ИКМ осуществляют с тыльной поверхности мембраны, а не с лицевой поверхности мембраны, где подают звуковое давление . Причем зазор t между мембраной и задним электродом формируют заранее, т.е. на задний электрод 3 надевают второе кольцо-изолятор 2, которое выступает над поверхностью заднего электрода на высоту t. Зазор между мембраной и крышкой h₁=0,35÷0,5 мм задают исходя из условия работы мембраны.

Этап пятый. Натяжение мембраны осуществляют ввертыванием заднего электрода 3 до образования зеркальной поверхности без гофра (без морщин) и закрепляют второй контргайкой (зажимной гайкой) 10. Как видно из чертежа, края пленки мембраны сильно зажаты между корпусом 11 и упором 4. Причем мембрана 1 по периметру натягивается за счет равномерного движения вперед с мелким шагом острым концом (резанным под углом 45°) второго кольца-изолпятора. При такой сборке полностью обеспечивают электрическую изоляцию заднего электрода от остальных токоведущих деталей. Выбирают максимальный диаметр заготовки мембраны 11-12 мм из конструктивных соображений, чтобы было удобно обеспечить хороший натяг и совпадение эффективных поверхностей мембраны и заднего электрода. Диаметр эффективной поверхности 2а от 3 до 8 мм. При зазоре между мембраной и задним электродом от 50 до 60 мкм толщину мембраны можно выбирать от 5 до 20 мкм. При этом обеспечивают измерение звукового давления от 50 до 150 дБ и выше с линейной градуировочной характеристикой. Обеспечивают расстояние между крышкой 12 и мембраной 1 в порядке от 0,3 до 0,5 мм. Опорное отверстие диаметром d₂=0,3÷0,4 мм, высверленное через корпус 11 и упор 4, обеспечивает связь атмосферного давления Р₀ за мембраной с избыточным давлением Р. Мгновенное значение избыточного давления в воздушном слое за счет смещения мембраны определяют как

где Δ - смещение мембраны; η - радиальное смещение воздуха в слое; t - толщина воздушного слоя; а - текущий радиус мембраны. Такое рассуждение справедливо при плоской волне, т.е. синусоидальной форме, и будем считать, что все величины, характеризующие состояние воздушного слоя, одинаковы по его толщине и упругость определяется воздушным слоем под жесткой частью мембраны.

Этап шестой. Исследуют метрологические характеристики ИКМ согласно ГОСТ 13751-73, составляют паспорт или формуляр и сертифицируют.

Технико-экономический эффект ИКМ повышается за счет экономии материала мембраны, сокращения времени сборки, улучшения и упрощения условия натяжения мембраны. Практически без производственного брака собирают ИКМ, что позволяет снизить себестоимость ИКМ в сравнении с выбранными типами ИКМ - прототипа и аналога.

С этой целью ЦАГИ был изготовлен один микрофон. Корпус, крышка, задний электрод выполнены из нержавейки. Первый и второй кольца-изоляторы были изготовлены из фторопласта. Материал мембраны из никеля толщиной 5-7 мкм, феррумникелевый сплав толщиной 10-12 мкм. Максимальный диаметр мембраны 10 мм вырезан пробойником. Каждая деталь, используемая для сборки ИКМ, тоже была изготовлена в единственном экземпляре. На одном корпусе ИКМ была не менее 10-15 раз монтирована и демонтирована. Это позволяло освоить технологию сборки ИКМ и доработать конструкцию каждой детали в отдельности и всю конструкцию ИКМ в целом. Затем ИКМ был подключен к аппаратуре фирмы RFT (Германия), была снята амплитудно-частотная характеристика и сравнена с характеристикой фирмы RFT. Сравнение показало, что характеристики обоих ИКМ практически одинаковы. Чувствительность ИКМ RFT больше на 10%. Источником звукового давления был выбран динамик 120-125 дБ. Линейность градуировочной характеристики была проверена под воздействием статического давления от ±0 до ±2500 Па при неоднократном нагружении мембраны толщиной 10 мкм с диаметром эффективной площади 8 мм. Нелинейность градуировочной характеристики не превышала ±0,1%. Начальная емкость 12÷15 пФ, приращение емкости ΔС=0,65 пФ при давлении 1000 Па. Статическое давление на мембрану задавали спиртным манометром. Полученные результаты говорят о вероятности разработки в будущем дешевых и надежных ИКМ.

1. Измерительный конденсаторный микрофон звукового давления, состоящий из защитной сетки, мембраны, заднего электрода с отверстиями, кольца-изолятора, гайки, двух контргаек, отличающийся тем, что в нем на заднем электроде дополнительно установлено второе кольцо-изолятор, которое выступает над поверхностью заднего электрода, образуя зазор между задним электродом и мембраной, в гайке установлено три винта, смещенные между собой на 120°, в первом кольце-изоляторе соосно с винтами выполнено три отверстия, мембрана закреплена по окружности между упором, зажатым через кольцо-изолятор гайкой, тремя винтами и выступом в корпусе, причем гайка и контргайки снабжены шлицами, диаметр выступа D₂ меньше основного диаметра корпуса D в 1,17÷1,18 раз, задний электрод выполнен двухступенчатым, соотношение диаметра большей ступени D₃ к диаметру меньшей ступени D₄ составляет 1,18÷3,14.

2. Способ сборки измерительного конденсаторного микрофона, в котором мембрану крепят на рабочей поверхности корпуса, фиксируют зазор между мембраной и задним электродом, задний электрод перфорируют, изолируют от корпуса, выполняют опорные отверстия для связи с атмосферой, мембрану, корпус и крышку электрически соединяют между собой, формируют вывод для съема электрического сигнала с выхода заднего электрода, отличающийся тем, что собирают пакет, состоящий из гайки и первого кольца-изолятора, в которых высверливают три отверстия, смещенные между собой на 120°, из нескольких пленок мембраны собирают технологический пакет, который располагают между двумя пластинами, в одной из пластин делают отверстие, из собранного пакета в зажатом положении вырезают мембраны заданного диаметра, на задний электрод устанавливают второе кольцо-изолятор, устанавливают мембрану в корпусе до упора с выступом на корпусе, затем закрепляют гайкой и пакет вставляют в корпус с помощью трех винтов, смещенных на 120°, дополнительно равномерно зажимают мембрану через упор, затем устанавливают контргайку со сформированным заранее зазором между мембраной и задним электродом, насаживают второе кольцо-изолятор, натяжение мембраны осуществляют ввертыванием заднего электрода до уровня сформированного зазора и образования зеркальной поверхности мембраны.