Устройство для измерения звукового давления

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения звукового давления. Устройство содержит датчик с емкостным чувствительным элементом с обкладками конденсатора и экранами, усилитель заряда, состоящий из операционного усилителя, резистора и конденсатора обратной связи, источник поляризации, два резистора, два конденсатора, внешний экран для усилителя заряда. Верхняя обкладка емкостного чувствительного элемента датчика через экран кабеля соединена с положительным полюсом усилителя заряда и отрицательным полюсом источника поляризации, нижняя обкладка через жилу кабеля и первый конденсатор соединена с отрицательным полюсом усилителя заряда. Оба резистора и второй конденсатор соединены в одной точке, первый резистор соединен с положительным полюсом источника поляризации, второй резистор соединен с жилой кабеля, первым конденсатором и нижней обкладкой емкостного чувствительного элемента датчика, отрицательный полюс источника поляризации соединен с внешним экраном и местным заземлением. При этом резистор, конденсатор обратной связи соединены между собой через первый конденсатор. Дополнительно в устройство введены нормирующий усилитель напряжения, блоки памяти и вычисления, сумматор, функциональный генератор, блок представления информации и управления, два переключателя. Технический результат заключается в повышении точности и надежности измерений уровня звукового давления. 3 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в авиационной технике, машиностроении, энергетике и т.д. для измерения звукового давления.

Известно устройство для измерения звукового давления. Устройство содержит емкостный чувствительный элемент (ЕЧЭ) датчика звукового давления, усилитель заряда, разработанный на базе операционного усилителя (ОУ) (согласующий усилитель), антивибрационный (коаксиальный) кабель, дополнительный экран, внешний экран, нормирующий усилитель напряжения, источник поляризации, переключатель, блоки памяти, деления, дифференцирования и индикатор.

Устройство защищено от влияния внешних электромагнитных и синфазных помех защитной цепью датчика (основным и боковым экранами), дополнительным защитным экраном и внешним экраном.

Определяют, что в поляризованном состоянии без воздействия давления датчик испытывает силу, по величине прямо пропорциональную напряжению поляризации. При воздействии давления на датчик в поляризованном состоянии определяют выходное напряжение датчика из зависимости U_вых=PE/FE₀, где P - измеряемое давление, F - сила при неизменном напряжении постоянного тока, Е₀ - модуль упругости материала мембраны при нормальной температуре, Е - модуль упругости в зависимости от текущей температуры окружающей среды.

Такое решение позволяет измерить звуковое давление на поверхности исследуемого объекта без дренирования изделия [Патент РФ №2029266, G0IL 9/12, 1995, «Устройство для измерения давления», автор А.А.Казарян].

Недостатки выбранного устройства для измерения звукового давления: отсутствие возможности компенсации влияния кабеля на результаты измерения, из-за чего снижается чувствительность измерительной аппаратуры, особенно при высоких уровнях температуры до 300°С и других агрессивных средах. Низкая чувствительность датчика не позволяет измерять давления 40-60 дБ.

Известно устройство для измерения давления. Устройство содержит блок тонкопленочных матричных датчиков, источник поляризации, антивибрационный кабель, усилитель заряда (УЗ), дополнительный защитный экран и внешний экран. Защитная цепь датчика (боковой и основной экраны) соединена с дополнительным защитным экраном, где смонтирован УЗ, и он электрически изолирован от внешнего экрана, с тем чтобы гарантировать цельность экранирования между датчиком и УЗ. Внешний экран заземлен с общей шиной местного заземления.

Функционирование устройства обеспечивают путем соединения отрицательного полюса источника поляризации (ИП) с дополнительным защитным экраном и положительным полюсом УЗ. Отрицательный полюс ИП через экран антивибрационного кабеля соединен с верхней обкладкой ЕЧЭ.

Такое решение позволяет измерить давление на поверхности исследуемого объекта без его механической дополнительной обработки [Патент РФ №1806334, G0IL 9/12, 1993, «Устройство для измерения давления» авторы: А.А.Казарян, Л.М.Москалик и И.Е.Фролова].

Недостаток устройства для измерения давления заключается в следующем: низкая чувствительность датчика не позволяет измерять звуковое давление на уровне 40-60 дБ на больших расстояниях до 50 м и больше между датчиком и УЗ.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению техническим решением является устройство для измерения звукового давления.

Устройство содержит датчик с ЕЧЭ, корпус. ЕЧЭ датчика содержит верхнюю обкладку (мембрану), перфорированную диэлектрическую пленку в виде кольца, боковой экран, нижнюю обкладку, изоляционную диэлектрическую пленку, основной экран, опорное отверстие, защитную сетку, УЗ, разработанный на базе ОУ, антивибрационный кабель с внутренней жилой, ИП, внешний экран для УЗ, резисторы R1, R2, R3 и конденсаторы C1, C2, С3.

Такое решение позволяет измерять звуковое давление при эксплуатации в условиях повышенной и пониженной температуры в диапазоне температуры от -269 до +300°С кратковременных и повторно-кратковременных режимов, без нарушения целостности изделий и обтекаемого физического процесса (Патент РФ 2281470, G0IL 9/12, 2006, «Устройство для измерения звукового давления» авторы А.А.Казарян, Л.М.Москалик).

Общим недостатком выбранных аналогов и прототипа является отсутствие равномерности (сглаженной) амплитудно-частотной характеристики устройства для измерения давления в звуковом диапазоне частот.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение точности и надежности измерения измерительной аппаратуры за счет сглаживания амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) в диапазоне звуковых частот для измерения низких и высоких уровней звукового давления на больших и малых расстояниях путем дополнительного введения блоков функционального генератора, сумматора, вычислителя, памяти, переключателей и нормирующего усилителя напряжения.

Технический результат достигается тем, что в устройство для измерения звукового давления, содержащее датчик с емкостным чувствительным элементом с обкладками конденсатора и экранами, усилитель заряда, состоящий из операционного усилителя, резистора и конденсатора обратной связи, источник поляризации, два резистора, два конденсатора, внешний экран для усилителя заряда, верхняя обкладка емкостного чувствительного элемента датчика через экран кабеля соединена с положительным полюсом усилителя заряда и отрицательным полюсом источника поляризации, нижняя обкладка через жилу кабеля и первый конденсатор соединена с отрицательным полюсом усилителя заряда, оба резистора и второй конденсатор соединены в одной точке, первый резистор соединен с положительным полюсом источника поляризации, второй резистор соединен с жилой кабеля, первым конденсатором и нижней обкладкой емкостного чувствительного элемента датчика, отрицательный полюс источника поляризации соединен с внешним экраном и местным заземлением, причем резистор, конденсатор обратной связи соединены между собой через первый конденсатор, дополнительно введены нормирующий усилитель напряжения, блоки памяти и вычисления, сумматор, функциональный генератор, блок представления информации и управления, два переключателя, причем выход усилителя заряда через нормирующий усилитель напряжения, первый переключатель, блоки памяти и вычисления соединен с первым входом сумматора, выход блока представления информации и управления через функциональный генератор и второй переключатель соединен со вторым входом сумматора, выход сумматора соединен с блоком представления информации и управления, все управляющие входы указанных блоков соединены с блоком представления информации и управления.

На фиг.1 изображена блок-схема устройства для измерения звукового давления. На фиг.2 изображена амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) операционного усилителя (ОУ). На фиг.3 изображены результаты измерения АЧХ устройства (без сглаживания).

На фиг.1 устройство содержит датчик звукового давления с емкостным чувствительным элементом 1 (ЕЧЭ). ЕЧЭ содержит верхнюю (мембрану) и нижнюю обкладки 2, 3, экран 4, антивибрационный кабель 5 с внутренней жилой 6, усилитель заряда 7, разработанный на базе ОУ, внешний экран 8 для УЗ (усилитель заряда) 7, резисторы R1, R2, R3, конденсаторы C1, C2, С3, источник поляризации (ИП) 9, нормирующий усилитель напряжения 10, первый переключатель 11, блок памяти 12, блок вычисления 13, сумматор 14, второй переключатель 15, функциональный генератор 16, блок представления информации и управления (БПИУ) 17.

Устройство предназначено для контроля и измерения звукового давления в диапазоне давления (60-180 дБ) и частоты (20 Гц-20 кГц) с равномерной АЧХ (неровность 0,3-1,5 дБ). Выбранная конструкция датчика звукового давления 1 известна как пленочный датчик давления с ЕЧЭ, разработанный на базе высокотемпературных диэлектриков и высококачественных сплавов, используемых в качестве мембраны 2 ЕЧЭ. Выбранный кабель 5 АВКТ-6 используют в условиях эксплуатации с повышенной вибрацией и температурой. Нижняя обкладка датчика 3 через жилу кабеля 6 и первый конденсатор C2 соединена с отрицательным полюсом УЗ (или отрицательным полюсом ОУ). Верхняя обкладка 2, экран 4 ЕЧЭ 1 соединены с экраном антивибрационного кабеля Э. Положительный полюс УЗ (или ОУ) является общей шиной устройства. Экран 4, отрицательный полюс ИП 9 через экран кабеля Э соединены с общей шиной устройства (положительный полюс). Второй конденсатор С1, резисторы R1 и R2 соединены в одной точке в «звезду». Резисторы R1 и R2 между собой соединены последовательно, и свободный конец R1 соединен с первым конденсатором С2 и жилой 6 кабеля. Другой конец резистора R2 соединен с положительным полюсом ИП. Отрицательный полюс ИП соединен с положительным полюсом УЗ.

Датчик с ЕЧЭ имеет высокое выходное сопротивление и при поляризации, в частности, напряжением постоянного тока на выходе имеет электрический сигнал мощностью ~10^-13-10^-15 Вт. Такой сигнал по кабелю через согласующую цепь, т.е. УЗ, можно передать на большие расстояния (50 м и больше). Одним из возможных видов согласующих цепей является УЗ. Он обеспечивает высокое входное сопротивление с закрытым входом. УЗ не чувствителен к наводкам и помехам, вызываемым колебаниями кабеля. УЗ сформирован на базе ОУ с глубокой отрицательной обратной связью через резистор R3, конденсатор С3. Коэффициент усиления УЗ равен единице (при необходимости можно увеличить до 20). На фиг.1 резистор R3 и конденсатор С3 по величине равны собственному сопротивлению и емкости ЕЧЭ датчика звукового давления. Емкости датчиков в разном исполнении составляют 5-170 пФ и больше, их выходные сопротивления велики и равны ~x_c≈10⁷ Ом. Резистор R3 и конденсатор С3 на входе усилителя заряда соединены с отрицательным полюсом ОУ раздельно через конденсатор С2. Другие концы резистора R3 и конденсатора С3 соединены в одной точке на выходе ОУ. Таким образом, сформированный УЗ захвачен глубокой отрицательной обратной связью резистором R3 и конденсатором С3. Причем резистор R3 и конденсатор С3 между собой соединены через конденсатор С2. Основной трудностью является защита датчика и УЗ от шумов и наводок. С этой целью устройство тщательно экранируется. Однако экранированный провод имеет емкость C_п.э. между жилой и экраном не менее 50 пФ/м в зависимости от марки кабеля. В этом случае при неправильном соединении экрана с датчиком емкость C_п.э. может оказаться включенной параллельно емкости ЕЧЭ датчика. При этом падает чувствительность датчика, так как относительное приращение емкости уменьшается на величину , и увеличивается погрешность и нестабильность выходного сигнала, вызываемая нестабильностью емкости C_п.э.. Таким образом, изменение емкости C_п.э. вызывает изменение приращения рабочей емкости ΔC₀, где C₀ - начальная емкость ЕЧЭ. В случае с применением УЗ замкнутая цепь позволяет располагать ЕЧЭ вдали от ИП и измерительной аппаратуры. Напряжение поляризации подается через два резистора R1, R2 на нижнюю обкладку ЕЧЭ. Схема также позволяет использовать один кабель как для поляризации датчика, так и для съема полезного сигнала (преобразование звукового давления в электрический сигнал) через жилу кабеля 6. Один из конденсаторов С2 предназначен для защиты УЗ от попадания высокого напряжения поляризации на вход усилителя заряда.

ЕЧЭ датчика звукового давления от влияния внешних электромагнитных воздействий защищен экраном 4 (основным и боковым экранами). От внешних воздействий жилы кабеля 6 защищены экраном кабеля Э. Конец экрана кабеля подсоединен к точке В местного заземления. Резисторы R1, R2, R3, конденсаторы С1, С2, С3 в устройстве позволяют располагать ЕЧЭ датчика вдали от источника поляризации и УЗ. Устройство также позволяет изолировать емкость ЕЧЭ датчика от емкости кабеля с помощью введения цепи двух резисторов R1, R2 и другого конденсатора С1 и компенсировать емкость кабеля C_п.э.. Это позволяет увеличить расстояние между датчиком и УЗ (в частности до 50 м). Длина кабеля между датчиком и УЗ ограничивается только проводимостью кабеля и частотными свойствами ЕЧЭ. Выбранные два резистора R1, R2 по величине одинаковы.

После согласования датчика с УЗ его информативный выход (на большом расстоянии) соединяют с входом нормирующего усилителя напряжения 10, разработанного тоже на базе ОУ. Выход блока 10 через первый переключатель 11 соединен с блоком памяти 12. Выход блока 12 через блок вычисления 13 соединен с первым входом сумматора 14. Другой вход сумматора 14 через второй переключатель 15 соединен с выходом функционального генератора 16, вход которого соединен с индикатором 17. Причем все информационные и управляющие а, б, … входы блоков 7, 9, 10-13, 15-16 тоже соединены с выходами блока представления информации и управления 17.

Сглаживание АЧХ устройства осуществляют следующим образом:

- Из теории передачи сигналов известно, что неискаженная передача возможна в том случае, когда модуль комплексного коэффициента передачи устройства K(ω) равен постоянной величине K₀, а аргумент представляет собой f(ω) линейную функцию частоты или времени, т.е. K(ω)=K₀; f(ω)=-t₃ω. Это объясняется тем, что во временном аспекте при условии неискаженной передачи переходная характеристика устройства A(t) формируется в виде единичной функции, умноженной на величину K₀ и смещенной вправо на время t₃, представляющее время задержки колебания при прохождении по устройству, т.е. A(t)=K₀·1·(t-t₃). При этом допускают, что устройство для передачи сигнала является идеальным, т.е. не вносящим искажений, и что все искажения сигналов вызываются наличием дискретных неоднородностей устройства. В этом случае для сигналов период повторения Т, которых много больше их длительности t_u, т.е. T>>t_u, условия неискаженных передач являются достаточными. Исходя из изложенного условия неискаженной передачи можно сформировать в виде A(t)=K₀·1(t-t₃) при случае, что t₃≤t≤t₃+t_u. Удовлетворяющим условием является A(t)=K₀·1(t-t₃) однородная длинная линия передачи сигнала. Выполнение этих условий встречает большие затруднения из-за необходимости обеспечения постоянства сопротивления нагрузки в весьма широком диапазоне частот, простирающимся от одного до десятков ГГц (наносекундном диапазоне времени). В нашем случае в звуковом диапазоне частоты (микросекундном диапазоне длительностей сигналов) трудности выполнения условия t_u≤t₃ (где t₃ - удвоенное время прохождения сигнала в устройстве) преодолеваются тем, что имеем большие расстояния передачи сигнала с дискретными неоднородностями устройства, и в тоже время это не приводит к искажению формы сигнала (импульса).

Одной из задач изобретения является формирование больших перепадов напряжения. Для решения этой задачи в микросекундном диапазоне применяются функциональные генераторы, мультивибраторы, пусковые схемы, блокинг-генераторы и другие схемы. В таких схемах имеют место два различных электрических режима или два различных состояния равновесия. Переход от одного состояния к другому, вызванный внешними силами, в частности давлением или действием внутренних причин, совершается в них столь быстро, что в устройстве измерения звукового давления эти колебания можно назвать скачковые, а сами колебания - разрывными колебаниями. Для того чтобы определить это время, называемое временем переключения, необходимо учесть влияние малых параметров схемы функционального генератора - паразитных емкостей, а иногда и паразитных индуктивностей, т.е. учесть влияние именно тех элементов, которые не принимает во внимание разрывная теория колебаний (1.8 Неоднородные линии передач, стр.69. 2.1 Особенности передачи в распределенных системах с дискретными неоднородностями стр.80-100. 3.3 Формирование импульсов в неоднородных линиях стр.151-164. Л.А.Моругин, Г.В.Глебович. Наносекундная импульсная техника. М.: Советское радио, 1964 г. с.624).

Естественно, что учет влияния малых параметров существенно усложняет определение времени переключения функционального генератора, и поэтому для упрощения задачи полагают, что процесс переключения функционального генератора представляет собой линейный ОУ, охваченный положительной обратной связью. Учет нелинейных свойств ОУ функционального генератора в процессе его переключения не дает качественных результатов. Поэтому допускаем, что функциональный генератор сигнала является кусочно-линейной системой, и можно рассматривать процесс формирования импульсного колебания как совокупность линейных преобразований, совершаемых над входным колебанием в отдельных областях фазового пространства.

Эти преобразования являются линейными интегральными преобразованиями. Интегральный характер преобразований вызван ограниченностью полосы пропускания устройства, который содержит ОУ с определенным фильтром. Именно ограничение полосы пропускания линейной системы (аппаратуры) является причиной конечной продолжительности процесса перехода функционального генератора из одного состояния в другое. Вследствие этого мгновенный процесс переключения функционального генератора совершается достаточно быстро, почти мгновенно. Поскольку с точки зрения наносекундной импульсной техники в работе генератора наибольший интерес представляет именно лавинообразный процесс перехода от одного состояния равновесия к другому, то целесообразно начать рассмотрение работы генератора именно с этого вопроса. Практически для снижения влияния паразитного сопротивления и емкостей на формирование сигнала длительностью времени микросекунды функционального генератора для измерения звукового давления используют прецизионные резисторы, конденсаторы, микросхемы с большими входными корпусными сопротивлением, диоды с высоким обратным сопротивлением, полевые транзисторы, туннельные диоды и т.д.

Устройство функционирует следующим образом:

1. Устройство находится в режиме покоя, давление на датчик 1 равно нулю Р=0; датчик поляризован напряжением постоянного тока 5-200 В от источника поляризации 9. Через датчик проходит сигнал шумов устройства и внешних помех U_ш.п.. Этот сигнал, проходя через антивибрационный кабель 5, УЗ 7 поступает на вход нормирующего усилителя напряжения 10. Сигнал U_ш.п. в усиленном виде через первый переключатель 11 подают на вход блока памяти 12. Этот сигнал запоминается в блоке 12, и переключатель 11 отключается. Информативные и управляющие сигналы с входов a, b, c, … k, m блоков 7, 9, 10-13, 15-16 подают на выходы блока представления информации и управления 17. Согласно составленной программе блок представления индикации и управления осуществляет необходимую операцию с каждым блоком.

2. Устройство находится в состоянии рабочего режима. На датчик 1 задают определенный уровень звукового давления Р. Звуковое давление, преобразованное в информативный электрический сигнал, состоящий из сигналов шумов и помех U_ш.п., через жилу 6 антивибрационного кабеля 5 согласовано в УЗ 7, усиленное в нормирующем усилителе напряжение 10, поступает U_с.ш.п. на вход блока вычитания 13. В этом блоке из общего сигнала выделяют полезный сигнал U_c, т.е. . Затем сигнал U_c подают на вход сумматора 14. По команде блока представления информации и управления 17, через второй переключатель 15 сигнал с выхода функционального генератора 16 поступает на другой вход сумматора 14. Здесь происходит суммирование двух одинаковых сигналов разной полярности в зависимости от частоты, и благодаря этому сглаживается частотная характеристика устройства. Функциональный генератор выдает в блоке суммирования частотную характеристику, показанную на фиг.3, обратной величины. После алгебраического суммирования на выходе устройства имеем равномерную АЧХ. Для получения АЧХ устройства, в относительных величинах, построим зависимость от частоты f=1000 Гц; где U_c - текущий сигнал; U_c1000 - сигнал при частоте 1000 Гц. Далее по команде индикатора (после суммирования двух сигналов в блоке 14) с выхода блока 14 имеем информационный сигнал U_c в зависимости от текущей частоты f (на заданном уровне звукового давления P=const), т.е. на выходе индикатора имеем U_c/U_c1000=F(f)=1±δ, где δ - неровности амплитудно-частотной характеристики в процентах или децибелах. Устройство можно выполнять в одноканальном и многоканальном исполнении. При многоканальном исполнении сглаживание АЧХ каждого канала производят индивидуально. Для каждого канала настраивают функциональный генератор согласно фиг.3. В полученных результатах на выходе устройства имеют протоколы измерения, с указанием неровности АЧХ.

Создание устройства с АЧХ F(f)=1±δ в стадии измерения звукового давления, погрешность измерения, вызываемая аппаратурой, практически не превышает δ=±0,3÷1,0 дБ на весь диапазон звуковой частоты. Коэффициент преобразования S измерительных каналов при условии, что амплитудная характеристика устройства с ЕЧЭ линейна во всем диапазоне заданной звуковой частоты и давления, постоянен, т.е. , где - текущее значение информативного выходного напряжения на выходе сумматора; - текущее значение измеряемого значения звукового давления. Измерительный канал, т.е. устройство, градуируют, задавая известное значение звукового давления любой частоты.

В устройстве все блоки разработаны на основе операционных и решающих усилителей в заданной полосе пропускания. Все основные математические операции осуществляются с помощью ОУ в аналоговом или цифровом виде. ОУ обычно обеспечивает усиление как постоянного напряжения положительной и отрицательной полярности, так и переменного напряжения. При выполнении различных операций ОУ работает в схеме с внешними входными и замыкающими элементами, образующими цепь обратной связи, например R3, С3 фиг.1.

Полоса пропускания на уровне 3 дБ усилителя с обратной связью, равной частоте среза f. Можно отметить, что ОУ, обладающее различными законами ослабления, усиления и различными коэффициентами усиления, могут иметь в замкнутом состоянии одинаковую полосу пропускания. Шумы и помехи ОУ без обратной связи изменяются с частотой в соответствии с видом частотной характеристики, скорректированного усилителя.

Реакция на импульсное воздействие ОУ зависит от полосы пропускания при большом размахе выходного сигнала и от формы частотной характеристики замкнутого усилителя. ОУ может иметь большую полосу пропускания при малом уровне сигнала и значительно суженную полосу при большом уровне. При этом реакция ОУ на импульсное воздействие может не соответствовать полосе пропускания при малом уровне сигнала.

В зависимости от запаса по фазе на частоте среза f_t кривая зависимости АЧХ ОУ может принимать формы, изображенные на фиг.2. Кривая 1 соответствует запасу по фазе , в то время как кривая 4 соответствует минимальному запасу по фазе, примерно . ОУ, обладающий характеристикой 4, не может передать импульсное воздействие без «всплесков», а при большом диапазоне температурных изменений может возбудиться. Следовательно, сглаживание АЧХ производят в плоском участке частотной характеристики ОУ, т.е. в диапазоне частот 20 Гц≤f≥20 кГц. На фиг.2 частота среза f_t>>20 кГц.

Следует уделить большое внимание тому, что в характеристиках ОУ, выпускаемых изготовителями, часто указывается величина, определяющая максимально возможную скорость нарастания напряжения на выходе ОУ.

Скорость нарастания S_L определяется выражением , В/мкс, где t_г - время нарастания (интервал между моментами, соответствующими 10 и 90% установившегося значения выходного сигнала), U₀ - напряжение холостого хода. Время нарастания связано с полосой пропускания практической формулой (Ж.Марше. Операционные усилители и их применение. Л.: Издательство Энергия 1974 г., стр.54, рис.4-14 - рис.4-16).

В устройстве блок памяти обеспечивает запоминание значения выходного сигнала U(t_i), переменной U(t) в заданный момент времени t_i, дает возможность реализовать большое число логических и программных операций, свойственных современным компьютерам. Основные требования, которые предъявляются запоминающему блоку: способность длительного хранения информации с возможностью непрерывного неразрушающего считывания; способность быстрой записи новой информации по сигналам блока представления информации и индикации: возможность удобного сопряжения с другими блоками устройства. На вход блока памяти информацию подают в виде импульсов, число которых, а в некоторых случаях и длительность, определяют значение величины, подлежащей хранению. Носителем информации могут быть делитель напряжения, конденсаторы и магнитные элементы.

Принципы выполнения суммирования и вычитания на решающем усилителе (на базе ОУ), содержащем несколько входных резисторов, обеспечивают суммирование и вычитание напряжений, подключенных к ним. При этом на входе ОУ поддерживается напряжение, близкое к нулю, входное напряжение U_j вызывает в соответствующем резисторе R_i ток , величина которого не зависит от величины тока, протекающего через другие входные резисторы. ОУ направляет в замыкающую цепь обратной связи суммарный ток .

Чувствительность устройства с ЕЧЭ датчика звукового давления повышается за счет изоляции емкостей датчика и кабеля между собой, повышается помехоустойчивость (за счет введения экранов в конструкции ЕЧЭ). Надежность устройства повышается за счет защиты УЗ от попадания высокого напряжения поляризации на вход УЗ путем введения первого конденсатора С2 между ЕЧЭ и УЗ, измерения полезного сигнала и подачи напряжения поляризации ЕЧЭ датчика с одним кабелем. Точность измерения звукового давления повышается за счет сглаживания АЧХ устройства в диапазоне звуковой частоты.

Принцип работы устройства. При изменении давления Р на поверхности мембраны 2 изменяется расстояние между обкладками 2 и 3. В результате прогиба мембраны 2 изменяется начальная емкость ЕЧЭ С₀, приращение емкости ΔС₀ и относительное приращение емкости ΔС₀/С₀. Напряжение поляризации датчика подают на нижнюю обкладку 3 ЕЧЭ датчика через последовательно соединенные между собой два резистора R1, R2. Напряжение на выходе УЗ измеряют между точками а и б, пропорциональное относительному приращению ΔС₀/С₀ и напряжению поляризации на выходе источника поляризации 9 на чертеже фиг.1.

С этой целью был изготовлен макет измерительного канала с ЕЧЭ звукового давления. Датчик и УЗ между собой соединены антивибрационным кабелем АВКТ-6, расстояние между датчиком УЗ от 0,4 м до 50 м. Определено, что при использовании электрической цепи, состоящей из активных резисторов R1, R2 и конденсатора С1, исключают влияние кабеля на результаты измерения в диапазоне частот от 20 Гц до 20 кГц. С увеличением длины кабеля от 0,4 до 50 м, помехи и шумы возрастают не более 3%. Условный коэффициент усиления аппаратуры 2000 и температура окружающей среды +25°С. Не наблюдается существенного увеличения теплового шума на выходе измерительной аппаратуры до 100-120°С. Звуковое давление практически можно измерять от 40-140 дБ (шепот и речь средней громкости, рев на расстоянии от 0,3 до 1 м при температуре +25°С) и больше, кратковременно возможно от 160 до 180 дБ и выше (реактивные двигатели на расстоянии 2-3 м от выхлопа). Для измерения звукового давления в указанных диапазонах необходима разработка ЕЧЭ для двух диапазонов. Первый ЕЧЭ способен измерять от 40 до 140 дБ; второй - от 140 до 180 дБ.

ЕЧЭ был изготовлен из FeNi сплава толщиной 20 мкм. Диаметр перфорации полиимидной пленки толщиной 20 мкм между обкладками - 16 мм. Экраны ЕЧЭ - из меди. Уровень измеряемого звукового давления от 55 до 140 дБ. Число каналов измерительной аппаратуры от одного до восьми. Резисторы R1=R2=R3=750 МОм; конденсаторы С1=470 пф; С2=1000 пф; С3=100 пФ. Напряжение поляризации 100 В. Все блоки выполнены на ОУ интегральной микросхемы 544УД1. Использованы схемы с отрицательной обратной связью по постоянному напряжению, что обеспечивает малый дрейф.

Результаты экспериментального исследования АЧХ для 8-ми измерительных каналов приведены на фиг.3, полученные в диапазоне частот от 1 до 25 кГц. Неровность в указанном диапазоне частот относительно среднего значения в большинстве случаев не превышает 5-6 дБ, что характерно для промышленных микрофонов. Заданный уровень давления Р=120 дБ=const. На фиг.3а, б обозначение K1-K8 - число каналов. В качестве эталонного микрофона был использован 4136 фирмы «Брюль и Къер» (Дания). Например, в канале K1 (фиг.3а) алгебраическое суммирование в блоке 14 при частоте 15 кГц происходит как: при команде блока представления информации и управления 17 одновременно с выхода блока 13 информационный сигнал U_c≡P с частотой 15 кГц, давлением Р=130,15 дБ поступает на вход блока 14, на другой вход блока 14 сигнал поступает из блока 16 при той же частоте, равной ΔР-10,15 дБ. В блоке 14 после суммирования двух информационных сигналов на выходе имеем истинный сигнал, т.е. давление Р=120 дБ; т.е. Р+ΔР=130,15 дБ-10,15 дБ=120 дБ. Такое алгебраическое суммирование производится n раз с определенным алгоритмом и по специально составленной программе, заложенной в устройстве.

Из результатов экспериментального исследования фиг.3а, б видно, что полученный разброс по величине и по виду изменения звукового давления от частоты можно аппроксимировать кусочно-линейно по-разному. Считаем наиболее подходящим импульс сигналов в виде треугольника, выдаваемый функциональным генератором. При этом реализация предлагаемого устройства становится более реальной и эффективной. Такое подтверждение обосновано тем, что с ростом потребности измерения звукового давления, в электронной технике разработаны специальные микросхемы для построения импульсных усилителей звуковых частот (см. статью «Микросхемы для построения импульсных усилителей звуковых частот в современной звуковой и видеоаппаратуре» журнал «Современная электроника» №7, 2009, стр. 16-22). Для примера представляем из этой работы одну из микросхем ТДА8920, которая состоит из двух одинаковых каналов, в состав которых входят входные каскады, широтно-импульсные модуляторы, схема управления, выходные ключи. Общими узлами являются: генератор треугольного напряжения, схема защиты от перегрузок и перегрева, и схемы управления. Генератор треугольного напряжения, т.е. функциональный генератор, может работать в режиме автоколебаний и в режиме внешней синхронизации. На вход микросхемы подают тактовый сигнал величиной 3-5 В. Выходные сигналы широтно-импульсных модуляторов импульсного усилителя через ФНЧ 2-го порядка с частотой среза около 50 кГц поступают на акустические системы. Частота генерации составляет порядка 350 кГц. Для получения плоской АЧХ импульсного усилителя на выходе устанавливают ФНЧ Батерворта 2-го порядка; параметры элементов фильтра определяются сопротивлением нагрузок. Верхняя граничная частота импульсного усилителя (в нашем случае ОУ с фильтром) по уровню - 3 дБ составляет 50 кГц.

Другим возможным вариантом сглаживания АЧХ измерительного канала с ЕЧЭ может быть применение частотных преобразователей на основе RC-генераторов, обладающих повышенной помехоустойчивостью в условиях дистанционной передачи частотной информации. Основу частотных преобразователей могут составить построенные на базе операционных усилителей RC-генераторы с частотой, зависящей от параметров конденсаторов и резисторов (А.А.Рабочий, Мультисенсорные частотные преобразователи на основе RC-генераторов, «Датчики и системы» №3, 2009, стр.32-34).

Устройство для измерения звукового давления, содержащее датчик с емкостным чувствительным элементом с обкладками конденсатора и экранами, усилитель заряда, состоящий из операционного усилителя, резистора и конденсатора обратной связи, источник поляризации, два резистора, два конденсатора, внешний экран для усилителя заряда, верхняя обкладка емкостного чувствительного элемента датчика через экран кабеля соединена с положительным полюсом усилителя заряда и отрицательным полюсом источника поляризации, нижняя обкладка через жилу кабеля и первый конденсатор соединена с отрицательным полюсом усилителя заряда, оба резистора и второй конденсатор соединены в одной точке, первый резистор соединен с положительным полюсом источника поляризации, второй резистор соединен с жилой кабеля, первым конденсатором и нижней обкладкой емкостного чувствительного элемента датчика, отрицательный полюс источника поляризации соединен с внешним экраном и местным заземлением, причем резистор, конденсатор обратной связи соединены между собой через первый конденсатор, отличающееся тем, что в него дополнительно введены нормирующий усилитель напряжения, блоки памяти и вычисления, сумматор, функциональный генератор, блок представления информации и управления, два переключателя, причем выход усилителя заряда через нормирующий усилитель напряжения, первый переключатель, блоки памяти и вычисления соединен с первым входом сумматора, выход блока представления информации и управления через функциональный генератор и второй переключатель соединен со вторым входом сумматора, выход сумматора соединен с блоком представления информации и управления, все управляющие входы указанных блоков соединены с блоком представления информации и управления.