RU1778579C - Преобразователь акустического давлени и способ его изготовлени - Google Patents

Abstract

Использование: изобретение относитс  к измерительной технике и может быть ис7 , (-. -..... . ж . S (-. пользовано дл  проектировани  гидрофонов , в том числе дл  низких и инфранизких частот, а также дл  создани  датчиков посто нного давлени . Изобретение может быть использовано в гидролокации, в системах подводной св зи, при исследовании внутренних волн в океане, в сейсмологии, в медицине. Цель изобретени  состоит в повышении чувствительности и расширении динамического диапазона. В электролитическую  чейку преобразовател  ввод т, нар ду с электролитом 3, частички 4 наполнител . В качестве наполнител  используют частицы закрытопористого материала , например пенопласта сферической формы одного радиуса, при плотной их упаковке в межэлектродном пространстве  чейки. Изготовление электролитической  чейки производ т путем заполнени  ее частицами и электролитом при ультразвуковом воздействии. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 3 ил, 5 2(8) 00 сл ы ю

Description

2(А)

фиг.

Изобретение относитс  к области измерительной техники. Оно может быть использовано в технической акустике дл  проектировани  гидрофонов особенно дл  области низких частот. Его также можно ис- пользовать дл  создани  датчиков посто нного давлени .

Известен преобразователь акустического давлени  1, наиболее близкий к предлагаемому изобретению. Преобразо- ватель представл ет электролитическую  чейку, включенную в равноплечный мост. Ячейка имеет звукопрозрачный корпус. Все устройство содержиттакже измеритель разбаланса моста.

Электролитическую  чейку дл  измерени  акустического давлени  изготавливают следующим образом. Устанавливают плоскопараллельные электроды, дегазируют электролит и заполн ют им межэлектрод- ное пространство, герметизируют  чейку.

При отсутствии внешнего воздействи  мост сбалансирован, если давление в среде измен етс , то измен етс  электропроводность электролита  чейки,т.е. ее сопротив- ление, нарушаетс  баланс моста. Величину изменени  сопротивлени  или разбаланса моста можно сопоставить с величиной измер емого акустического давлени .

Акустические приемники, построенные на этом принципе, обладают такими хорошими характеристиками, как большой частотный диапазон, очень маленькое внутреннее сопротивление, способность измер ть и посто нное давление, чрезвы- чайна  простота конструкции. Однако один недостаток их непригодными дл  практического применени : очень низка  чувствительность л 10 В/Па, т.е. неспособность измер ть небольшие давлени .

Там же в 1 указано на возможность повышени  чувствительности таких приемников . Например, если в электролит между электродами  чейки ввести газовые пузырьки , то изменение электропроводности будет в основном определ тьс  не изменением свойств жидкости, а изменением объемов газовых пузырей под действием избыточного давлени -.

Расчеты показывают, что преобразователи с газовыми пузырьками имеют чувствительность на полтора-два пор дка выше, чем при использовании сплошного электролита . Однако она все же остаетс  низкой и недостаточной дл  измерени  малых давлений и, кроме того, использование газовых пузырьков в электролите, заполн ющем  чейку, практически бесперспективно из-за нестабильности такой среды во времени.

Целью изобретени   вл етс  повышение чувствительности преобразовател , расширение динамического диапазона при одновременном улучшении временной стабильности .

Цель достигаетс  тем, что в известном преобразователе акустического давлени , содержащем звукопрозрачный корпус г. двум  электродами, заполненном сплошным электролитом, в соответствии с изобретением , в пространство между электродами вво- д т непровод щий наполнитель, выполненный в виде отдельных частиц.

Кроме того, поставленна  цель достигаетс  тем, что объемно сжимаемые частицы выполнены из материала с закрытопори- стой структурой и имеют сферическую форму одинакового радиуса/

Помимо того объемна  концентраци  сжимаемых частиц равна 0,74.

Цель достигаетс  тем, что в известном способе изготовлени  электролитической  чейки преобразовател  акустического дав- лени , заключающемс  в установке в корпусе плоскопараллельных электродов, дегазации электролита и заполнении им межэлектродного пространства и последующей герметизации  чейки, в соответствии с изобретением, межэлектродное пространство заполн ют вначале неэлектропроводным наполнителем, производ т уплотнение наполнител  до состо ни  наиплотнейшей упаковки ультразвуковыми колебани ми, причем в процессе уплотнени  в межэлектродное пространство ввод т электролит, а затем герметизируют  чейку.

На фиг, 1 представлено схематически устройство электролитической  чейки преобразовател  акустического давлени : 1 - корпус, 2 - плоскопараллельные пластинчатые электроды, 3 - электролит, 4 - частички наполнител , 5 - звукопрозрачна  диафрагма . На фиг.2 представлены эксперименталь- ные зависимости относительного изменени  электропроводности Да/а электролита с наполнителем от избыточного давлени  ДР дл  разных объемных концентраций наполнител : 1 - 0,40tO,06; 2 - 0,028t 0.004; 3 - 0,019Ю,003; 4 - 0,009$,002. Электролит - технический глицерин, содержащий ионы примесей, наполнитель - гранулы пенопласта сферической формы. На фиг.З представлена экспериментальна  зависимость напр жени  разбаланса моста U от избыточного давлени  в среде Д Р дл  преобразовател  с водным электролитом и наполнителем из пенопластовых гранул с /3 - 0,74.

Сущность изобретени  состоит R том. что наличие в электролите .ц непронод щего легкосжимэемого материала резко повышает сжимаемость среды, а поэтому и чувствительность всего устройства. Частички конденсированного вещества несложно зафиксировать в межэлектродном про- странстве и получить устойчивую во време- ни систему. Из-за повышени  чувствительности на несколько пор дков на столько же понижаетс  нижн   граница динамического диапазона. В сравнении с уст- ройством, использующим в качестве включений газовые пузырьки, поднимаетс  и верхн   граница динамического диапазона , т.к. нелинейность в деформации газовых пузырьков сказываетс  при давлении в доли атмосферы, а в деформации конденсированного вещества - при давлени х на пор дки больших. Использование сферических частиц одного радиуса из материала с закрытопористой структурой по- звол ет технологически просто изготовить  чейку с объемной концентрацией 0,74, отвечающей условию наиплотнейшей упаковки и высокой чувствительности устройства. Кроме того, такие включени  не добротны, не имеют резонансов, тем более при плотной упаковке, что ведет к расширению частотного диапазона.

Сопротивление электролитической  чейки, содержащей включени  при боль- шой объемной концентрации, из-за поверхностной проводимости может быть меньше сопротивлени   чейки со сплошным электролитом . Это приводит к снижению уровн  собственных шумов устройства и дополни- тельному понижению порога чувствительности . При малом внутреннем сопротивлении  чейки от сотен Ом до единиц кОм не возникает трудностей согласовани  преобразовател  с измерительной аппаратурой.

Нижн   граница частотного диапазона устройства простираетс  от нул  частот, т.е. оно позвол ет измер ть и посто нные давлени . Следуе г также отметить простоту ус- тройства и дешевизну электролитических преобразователей акустического давлени .

Если преобразователь включен в схему равноплечного моста, то можно показать, что чувствительность устройства к измене- нию внешнего давлени  ДР будет определ тьс  формулой

) Ј

т

где-Uo - амплитуда напр жени  питани  моста; Д - начальна  объемна  концентраци  наполнител ; а-i - электропроводность

электролита:/} и С2 - плотность и скорость звука материала наполнител ; д- электропроводность среды -между электродами  чейки.

Таким образом, чтобы найти теоретическую чувствительность, необходимо знать св зь между электропроводностью аи объемной концентрацией наполнител  / . В электрохимии эта задача в насто щее врем  до конца не решена. Дело в том, что при больших/ заметную роль в формировании электропроводности а начинает играть по- верхндстна  проводимость частичек наполнител  за счет ионов двойного электрического сло  2. Причем, если объемы непровод щих частиц снижают электропроводность среды, то поверхностные эффекты увеличивают ее. При некоторых значени х j30 эти два механизма могут скомпенсировать друг друга. Количественные параметры этого  влени  сложным образом св заны со свойствами используемого электролита, вещества частиц наполнител , их формы и размеров. К сожалению, невозможно дать общую формулу дл  сг(/) , учитывающую все эти факторы и пригодную дл  практических расчетов.

Анализ имеющихс  материалов показывает , что произведение сомножителей ( 1 - fio ) (r)0/d/ )p должно иметь максимум при значени х/ о в промежутке 0,5- 1. Среди этих больших значений /3 более определенным и легче технически реализуемым  вл етс  0,74, отвечающее случаю наиплотнейшей упаковки шаров одинакового радиуса. Именно это значение можно рекомендовать дл  составлени  суспензии, заполн ющей электролитическую  чейку, во вс ком случае до разработки более четкой теории электрических  влений в суспензи х или до получени  более охватывающих экспериментальных результатов .

На фиг.2 представлены полученные в эксперименте зависимости До/а от избыточного давлени  ДР в электролитической  чейке дл  технического глицерина с наполнителем из пенопластовых гранул сферической формы с разной начальной объемной концентрацией. Они иллюстрируют сложную св зь объемов и поверхности включений в формировании электропроводности суспензий . Видно, что при разных/ знаки зависимо- стей Д а (Д Р) могут быть разными.

На основании данных фиг.2 можно вычислить ожидаемую чувствительность преобразовател  с таким заполнением при включении его в схему равноплечного моета . Оказалось, что дл  самой крутой зависимости 1 (/30 0,4) при Do ЮВ чувствительность равна К 5,5 В/Па, что уже превышает чувствительность прототипа.

Было проведено экспериментальное ис- следование преобразовател  конкретного исполнени . Электролитическа   чейка имела стекл нный корпус цилиндрической формы с двум  электродами из нержавеющей стали диаметром 2.2 см и рассто нием между ними 2 см. Ячейка заполн лась гра- пулами пенопласта диаметром 2,5+ 0,5 мм до / 0,74 и водным раствором поваренной соли с массовой концентрацией соли . Электрическое сопротивление  чейки ока- залось равным 2,6 кОм. Ячейка была включена в схему равноплечного моста. Частота синусоидального напр жени  генератора - 100 кГц, амплитуда - 10 В.

Устройство градуировалось в услови х квазистатического изменени  давлени  в среде, окружающей  чейку. Дл  этого она помещалась в камеру с регулируемым давлением внутри. Избыточное давление А Р измен лось в диапазоне от 0 до 105 Па и измен лось манометром с точностью Па.

Измер лась величина разбаланса моста U от Л Р. Результат представлен на фиг.З. Видно, что в пределах исследованного диа- пазона Л Р зависимость носит практически линейный характер, т.е. динамический диапазон устройства не менее 105 Па. Вычисленна  из этой зависимости чувствительность оказалась равной (8,1i tO,5) В/Па, что более чем на два пор дка превышает чувствительность прототипа. Така  чувствительность делает электролитические преобразователи пригодными дл  практического использовани  и конкурент- неспособными с преобразовател ми других типов.

При изготовлении электролитической  чейки дл  предлагаемого преобразовател  предлагаютс  следующие рекомендации, На фиг.1 представлено схематическое устройство одной из конструкций. Корпус 1 выполнен из непровод щего материала, не вступающего в реакцию с электролитом (например , химически стойкие сорта стекол, фторопласт, полиэтилен, полипропилен). Имеютс  два плоскопараллельных электрода 2. Один из них А (по рисунку - нижний) сплошной и закреплен неподвижно. Второй - В - должен иметь свободу перемещени  (например, по резьбе) и фиксации. Он имеет отверсти  дл  прохождени  электролита 3. Сверху установлена звукопрозрачна  диафрагма 5. Она может иметь минимальную

собственную упругость, т.к. основное ее назначение - отделить содержимое  чейки от окружающей среды.

Заполнение  чейки следует производить в следующем пор дке. При убранном верхнем электроде и диафрагме она заполн етс  сферическими частицами до состо ни  наиплотнейшей упаковки. Устанавливаетс  верхний электрод до соприкосновени  со слоем частиц. Ячейка ставитс  на поверхность ультразвукового преобразовател , который находитс  в ванне с водой или другой неагрессивной жид костью. В  чейку заливаетс  электролит и включаютс  ультразвуковые колебани . Врем  ультразвукового воздействи  определ етс  временем образовани  сло  чистого электролита под верхним электродом из-за уплотнени  частиц и дегазации электролита .

Выбранный и опробованный ультразвуковой режим: частота 18,5 кГц. Амплитуда колебательного смещени  на поверхности ультразвукового преобразовател  5-10 мкм (не очень сильна  кавитаци ). При необходимости , верхний электрод еще опускаетс  и фиксируетс . После этого устанавливаетс  диафрагма.

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

Технико-экономическа  эффективность по сравнению с базовым объектом, характеризующим мировой уровень техники, в качестве которого выбран 1. заключаетс , в первую очередь, в том, что путем введени  в электролитическую  чейку легкосжимаемых частиц наполнител  определенной концентрации резко, на несколько пор дков, повышаетс  чувствительность преобразовател  акустического давлени , что при наличии других положительных качеств делает его пригодным дл  практического использовани  и конкурентноспособным с преобразовател ми других типов. Предлагаемый преобразователь  вл етс  чуть ли не единственным , способным измер ть как акустическое знакопеременное, так и посто нное давлени .

Кроме того, использование в качестве наполнител  частичек из конденсированного вещества позвол ет построить преобразователи со стабильными временными характеристиками.

Claims (4)

1. Преобразователь акустического давлени , выполненный в виде ппекгролитической  чейки, содержащей заполненный электролитом корпус с мембраной и двум  плоскопараллельными электродами, один из которых перфорированный, отличающийс  тем. что, с целью повышени  чувствительности и расширени  динамического диапазона, в нем в пространство между электродами введен неэлектропроводный наполнитель, выполнен в виде отдельных объемносжимаемых частиц.

2.Преобразователь по п.1, отличающийс  тем, что в нем обьемносжимаемые частицы выполнены из материала с закры- топористой структурой и имеют сферическую форму одинакового радиуса.

3.Преобразователь по пп,1 и 2, о т л и- чающийс  тем, что в нем объемна  концентраци  сжимаемых частиц равна 0,74.

4. Способ изготовлени  преобразовател  акустического давлени , включающий изготовление электролитической  чейки путем установки в корпус плоскоп раллельных электродов, дегазации электролита и заполнени  им межэлектродного пространства , и последующую герметизацию  чейки с помощью установки мембраны, отличающийс  тем, что, с целью повышени 

чувствительности и расширени  динамического диапазона преобразовател , межэлектродное пространство заполн ют вначале электропроводным наполнителем, производ т уплотнение наполнител  до состо ни  плотной упаковки ультразвуковыми колебани ми, причем в процессе уплотнени  в межэлектродное пространство ввод т электролит, а затем герметизируют  чейки.

-да-

f

Ч

4 4

4

-L

0.5.

4 4

up,

&

2

Фиг. 2.

t,IH,6

.60

so

+

+

xo

+

4+

.-to

f

+

it

hi

+

+