Реферат: Акустические приборы
Пьезоэлектрический эффект был обнаружен в кварце, турмалине, сегнетовой соли, фосфате аммония, сульфате литияи др., эти вещества нашли практическое применение. Пластинки, применяемые в качестве вибраторов, вырезаются из монокристаллов в определенном направлении. Например, кварцевые пластинки вырезаются в плоскости. Сегнетова соль вследствие ее недостаточной механической прочности лучше подходит для приемников ультразвука. Она сохраняет свою прочность только при влажности от 40 до 85%, а при температуре свыше 55°С разлагается. Сегнетова соль примерно в 10 рдз чувствительнее, чем фосфат аммония и в 150 раз чувствительнее кварца. Фосфат аммония выдерживает нагревание до 100°С и влажность от 0 до 93%.
Краткую сводку свойств пьезоэлектрических преобразователей недавно опубликовал Добелли.
При введении вибраторов в жидкость их затухание значительно Возрастает; в этом случае вибраторы можно применять также на частотах, отличных от резонансных. Применяя кварцевые пластинки, пользуются их поперечными колебаниями в области более высоких частот и продольными — в области низких частот. Для получения больших мощностей при продольных колебаниях Ланжевен склеивал вместе несколько кварцевых пластинок, заключал их между двумя стальными пластинками и возбуждал всю систему. Наклеивание кварца па металл и другие операции надо производить очень осторожно. Особое внимание следует обращать на устранение воздушных пузырей. Хорошо подходит для этих целей клей коэзан.
При возбуждении основных поперечных колебаний кварцевые пластинки можно применять только до частоты примерно 50 мггц; при больших частотах применяемые пластинки становятся слишком тонкими. Более высокие частоты получают путем возбуждения в пластинках гармоник высоких порядков.
Для фокусировки излучаемого звука поверхности пластинок можно отшлифовать в форме вогнутого зеркала. Для непрерывной работы в широкой области частот делают вибратор клинообразной формы. Таким приемом можно получать частоты в области от 1,4 до 5 мггц. Левин Филип достигали этого, наклеивая кварцевую пластинку на клинообразную латунную пластинку.
Закрепление кварца требует особой осторожности. Для подачи переменного напряжения в большинстве случаев обе поверхности пластинки делают матовыми, затем их покрывают металлическими слоями, проводящими ток. Последние можно получить, отлагая слои серебра или золота как химическим путем, так и испарением в пустоте или катодным распылением. Кварцевые пластинки обычно кладутся на прочную, ровную металлическую подложку, которая соединяется проводником с генератором напряжения. Для такой подложки особенно подходящим вследствие своей пластичности оказался свинец. Другие металлы менее удовлетворительны, так как в пластинках кварца при больших амплитудах колебаний и твердой подложке наблюдалось появление трещин. Подводить напряжение к металлизированной поверхности кварца можно при помощи металлического кольца, которое прижимается к ней пружиной. Прямоугольные пластинки можно закреплять также при помощи пружины, укрепленной с одной стороны. Другим видом закрепления служат рамки размеров немного больших, чем пластинка, и три-четыре винта, которые слегка надавливают на кварц. Концы винтов не должны быть твердыми, иначе кварц при сильном нажиме может треснуть. Удобно также на боковых поверхностях кварца сделать канавку, в которую входил бы немного заостренный винт. Удобны также кварцевые пластинки, края которых, симметрично сошлифованные на угол, входят в углубления металлических зажимов. Бец-Бардили предложил крепление, которое дает возможность несколько менять направление излучения. Кварц с его металлической подложкой эластично прижимается концентрическим винтом к раме такого же размера, через которую подводится напряжение. Все устройство крепится на пластине, которую можно поворачивать.
Свободные крепления без подложек вносят, конечно, меньше затухания. Для устранения обратного отражения звука рекомендуется ввести между вибратором и подложкой тонкий слой масла, которое должно быть свободно от пузырьков. Вибратор, работающий на продольных колебаниях, зажимают двумя винтами в его узловых плоскостях. По данным Грюццмахера звуковая энергия, излученная вверх, увеличивается приблизительно в четыре раза, если нижняя сторона кварцевой пластинки граничит с воздухом. На этой поверхности получается полное отражение, и отраженные звуковые волны проходят вверх через пластинку в такой фазе, что усиливают излучение, посылаемое в жидкость. Подобный эффект можно получить, если между подложкой и кварцем ввести слой масла толщиной, равной четверти длины звуковой волны в масле. Для такой оптимальной установки сконструированы приспособления, с помощью которых к кварцевой пластинке, находящейся в масляной ванне, можно приближать поршень с поверхностью, параллельной кварцу, причем расстояние между обеими поверхностями можно регулировать.
Для получения ультразвуковых волн в электропроводных жидкостях можно привести в соприкосновение с жидкостью только излучающие поверхности — через отверстие в резервуаре или, опустив в жидкость кварц в кожухе, имеющем соответствующее окно. Можно также воспользоваться излучением кварца в масло и ввести исследуемую жидкость в стеклянном сосуде в масляную ванну. При большой мощности излучения рекомендуется погружать кварц в трансформаторное масло и т.п. во избежание поверхностного пробоя между электродами на кварце. Пользуясь кварцем, подводимое к нему переменное напряжение надо вводить постепенно, чтобы сначала удалить имеющиеся между электродами газовые пузырьки. Если во время процесса дегазации, вследствие слишком высокого напряжения, возникают искры, то кварц разрушается; так как при длительной работе на большой мощности выделяется значительное количество тепла, то следует предусмотреть охлаждение излучателя, например, при помощи непрерывного охлаждения стенок сосуда.
Е) Электродинамические вибраторы
Генераторы ультразвуковых колебаний, работающие по электродинамическому принципу, описаны Гавро и Миане. Вибраторы, работающие в резонансе, состоят в этом случае из цилиндрических сплошных тел, излучающая поверхность которых имеет требуемую форму, в частности, например, для фокусировки — форму вогнутого зеркала.
Ж) Вибраторы Из искусственных материалов
В последнее время наряду с естественными кристаллами применяют и синтетические. Прежде всего находит применение титанат бария. Изменяя состав, можно получить образцы титаната бария, имеющие при комнатных температурах значительно меньшие температурные коэффициенты. Направление пьезоэлектрической оси таких вибраторов не зависит от величины и формы вибратора и определяется направлением поляризующего поля.
3) Пистонфон
Для исследования и калибровки низкочастотных приемников необходимы источники звука, которые позволяют медленно изменять давление. Особенно подходящим для этой цели является пистонфон. Его подвижная система присоединена к генератору низкой частоты. При очень низких частотах необходимо тщательно следить за герметичностью камеры, в которой изменяется давление. Это можно осуществить с помощью чувствительного манометра. Амплитуду колеблющегося поршня можно измерять при помощи микроскопа.
И) Электродинамические вибрационные столы
Для исследования колебаний применяют вибрационные столы, действующие в большинстве случаев по принципу динамического громкоговорителя. При этом диффузор заменяется легкой пластиной, на которую помещаются испытываемые предметы. Мюэ описывает подобный стол, амплитуда колебаний которого измеряется следующим образом. К крышке стола жестко крепится сердечник из мягкого железа, который может перемещаться в катушке. Катушка включена в мостовую схему. Мерой амплитуды колебаний является коэффициент модуляции.
Подобно вибрационным столам работают механические генераторы колебаний. Они дают возможность получать вибрации с частотами до 15000 гц.
Более мощные колебания низких частот получают, пользуясь мотором с приводом и эксцентриком, как это показано на рис. Вибрационный стол в этой установке совершает синусоидальные колебания в вертикальном направлении с частотами от 0,1 до 20 гц.
2. Приемники звука
А) Микрофоны
а) Конденсаторные микрофоны. Для превращения колебаний звука в соответствующие переменные электрические напряжения применяется большое число микрофонов различных типов, которые но принципу действия можно подразделить на электростатические, электродинамические и пьезоэлектрические. Как измерительные приборы до последнего времени чаще всего применяются конденсаторные микрофоны, поскольку при относительно простой конструкции они отличаются постоянством показаний, большой чувствительностью и точной передачей частот и амплитуд. Мембрана конденсаторного микрофона изготовляется чаще всего из алюминиевой фольга, предварительно подвергнутой искусственному старению; мембрана сильно натягивается, чтобы ее собственная частота была высокой. На расстоянии нескольких микрон от нее находится противоположный электрод, благодаря чему система оказывается сильно демпфированной. Для повышения эластичности второй электрод снабжается отверстиями, прорезями и т.п. Микрофоны такого тина изготовляются как приемники давления, приемники скорости, а также как комбинированные приемники давления и скорости. В качестве приемника давления микрофон имеет при низких частотах во всех направлениях равномерную чувствительность. При высоких частотах большая чувствительность имеет место в нормальном направлении — от звука, идущего спереди. Если с помощью приемника давления надо обеспечить ненаправленный прием также и при высоких частотах, то выбирают микрофон весьма малого размера.
б) Направленное действие. В качестве приемника градиента давления микрофон имеет диаграмму направленности в форме цифры, т.е. характеристику, состоящую из двух сфер, которые соприкасаются в плоскости мембраны. Он применяется для приема речи, а также для приема игры оркестра, потому что при этом исполнители размещаются в обеих областях высокой чувствительности. В этом приемнике не наблюдается зависимости частоты от угла, как это имеет место в приемниках давления. Нечувствительностью микрофона в плоскости мембраны пользуются для того, чтобы избежать помех, распространяющихся вблизи этой плоскости. При работе в одном помещении с громкоговорителем плоскость мембраны располагают в направлении на громкоговоритель и благодаря этому избегают акустической обратной связи.
Другой вид приемника этого типа обладает так называемой квадратичной характеристикой, т.е. микрофон обладает повышенной чувствительностью спереди и с боковых сторон, сзади же звук принимается значительно хуже. Этот микрофон удобен для исключения помех, приходящих сзади, для приема звука по определенному, направлению и для работы в одном помещении с громкоговорителями.
в) Схема включения. Конденсаторные микрофоны наиболее широко применяются в так называемых низкочастотных схемах, в которых на микрофон подается напряжение около 100 в через сопротивление в несколько десятков Мом. С нагрузочного сопротивления снимаются переменные напряжения, обусловленные звуковыми волнами. Для достижения качественной передачи независимо от частоты это сопротивление должно быть большим но сравнению с импедансом микрофона. С помощью отрицательной обратной связи за счет сопротивления в катодной цепи лампы усилителя, следующей за микрофоном, получается расширение полосы воспроизводимых частот в направлении нижнего регистра.
В первоначальной схеме микрофон включался в высокочастотный колебательный контур, который имел слабую связь с генератором. Частота контура выбиралась такой, чтобы рабочая точка лежала в середине боковой части резонансной кривой. При приеме микрофоном разговорной речи контур расстраивался, вследствие чего частотная модуляция превращалась в амплитудную. Этот метод может служить для измерения медленных колебаний давления вплоть до нулевой частоты. Об одной схеме такого типа, которая отличается низким уровнем шума, сообщает Заальберг фон Зельст.
Конденсаторный микрофон и первая усилительная лампа располагаются возможно ближе и для снижения уровня фона экранируются общим экраном. Подводка от первого усилителя ко второму, обычно длиной 1 м, также экранируется. Экранирование и правильное согласование выхода лампы с линией, для чего необходим трансформатор с сопротивлением около 200 ом, имеют большое значение. Целесообразно заземлить среднюю точку обмотки трансформатора.
Б) Электродинамические микрофоны
Электродинамические микрофоны из-за их незначительного внутреннего сопротивления можно непосредственно подключать к первой усилительной лампе при помощи длинного экранированного провода. Обычно в корпус микрофона вмонтирован трансформатор, который согласует малое сопротивление катушки микрофона с сопротивлением экранированной линии. Для получения гладкой частотной характеристики за мембраной микрофона делается несколько демпфирующих полостей с различными собственными частотами, которые соединяются друг с другом каналами. Этот микрофон имеет характеристику направленности, подобную характеристике конденсаторного микрофона давления. Выравненную частотную характеристику, имеет также ленточный микрофон, который работает как приемник скорости. На концах свободно подвешенной между полюсами сильною магнита и настроенной на низкую частоту алюминиевой полоски при приеме звука появляются переменные напряжения, которые с помощью трансформатора подводятся к сопротивлению в 200 ом. Для этого микрофона форма диаграммы направленности не зависит от частоты. Прием в плоскости полосок практически невозможен.
В) Кристаллические микрофоны