RU2327962C1

RU2327962C1 - Measuring capacitor microphone for sound pressure and its assembly process

Info

Publication number: RU2327962C1
Application number: RU2007106953/28A
Authority: RU
Inventors: н Акоп Айрапетович Казар (RU); Акоп Айрапетович Казарян; Николай Алексеевич Езеев (RU); Николай Алексеевич Езеев; Александр Никифорович Шестопалов (RU); Александр Никифорович Шестопалов
Priority date: 2007-02-27
Filing date: 2007-02-27
Publication date: 2008-06-27

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: measuring capacitor microphone (MCM) includes membrane, rear electrode with perforation, two insulation rings and a number of fastening parts for the case assembly of MCM. Membrane is simultaneously spread over the working surface of the case. Membrane edges are firmly nipped between the case and insulation ring. Movement of rear electrode with the first insulation ring pinned to it creates clearance between the membrane and the rear electrode. A membrane of desired diametre is cut out and inserted into MCM case. The main MCM unit is assembled in the following order: arrester and the first insulation ring are put on the rear electrode, then another insulation ring is screwed onto it up to the stop, and a special nut and lock-nut are set consequently on the construction. The assembled unit is inserted into MCM case from the rear side of the membrane. The membrane is finally tightened by screwing the rear electrode in until the surface is flat without corrugation. Rear cavity of MCM is connected with atmosphere by capillary perforation.

EFFECT: lower cost.

2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения звукового давления в авиационной технике, машиностроении, в любой отрасли народного хозяйства (без ограничений).The invention relates to measuring equipment and can be used to measure sound pressure in aircraft, engineering, in any sector of the national economy (without restrictions).

Известна упрощенная конструкция измерительного конденсаторного микрофона, содержащего неподвижный электрод (задний электрод), мембрану, держатель. Мембрана отклоняется под действием давления. При этом возможны два основных случая:Known simplified design of a measuring condenser microphone containing a fixed electrode (rear electrode), a membrane, a holder. The membrane deflects under pressure. In this case, two main cases are possible:

1. Отклонение тонкой мембраны с пренебрежимо малой жесткостью на изгиб.1. Deviation of a thin membrane with negligible bending stiffness.

2. Отклонение защемленной мембраны толщиной, значительно меньшей размера диаметра, но обладающей значительной жесткостью на изгиб.2. Deviation of the pinched membrane with a thickness significantly smaller than the diameter, but with significant bending stiffness.

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.An additional device (pressure transmitters) is provided for the manufacture of measuring condenser microphones. This device consists of a thin round plate fixed around the periphery, a clamping ring nut, fastening rings and rings, soldered to the membrane and tensioning the latter.

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].A measuring condenser microphone allows you to measure static and dynamic pressure on the surface of the object under study [GP Nubert Measuring transducers of non-electric quantities, L .: publishing house Energia, 1978, 368, pp .§ 3-4. Sensitive elements of pressure sensors, pp. 51-56, Fig. 3-19. §§4.4 Capacitive converters, pp. 255-259, Figure 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.The disadvantages of this device are that it has a high cost, low reliability due to the complexity of the assembly and interference of the condenser microphone membrane.

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.A known method of manufacturing a measuring condenser microphones (PCM). Reliable fastening is ensured by clamping the membrane with two outer rings in the inner ring-shaped nut with a V-shaped end, which when screwed into the corresponding V-shaped end of the large ring, which ensures uniform tension of the PCM membrane. The measured parameter is the displacement of the center of the membrane when exposed to pressure.

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).This solution provides pressure measurement on the surface of the object under study by additional machining of the surface of the products for mounting PCM (GP Nubert Measuring transducers of non-electric quantities, L .: publishing house Energy. 1970, 360. § 3-4. Sensitive elements of pressure sensors , pp. 51-56, Fig. 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.The disadvantage of the method of manufacturing PCM is that when welding, soldering or sticking the actual tension of the finished membrane can differ significantly from the initial voltage in the mandrel, resulting in a large number of defects. This method of attaching the PCM membrane is uneconomical; a large amount of waste is obtained from the material of the metal film of the membrane.

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.Closest to the proposed invention, the technical solution is PCM, designed for accurate measurements of sound pressure. The PCM contains a protective grid, a back plate (back electrode) with a slot (it is at the same time a second capacitor plate and a means for damping the main resonant peak of the diaphragm), small holes (supporting or capillary holes) designed to equalize static pressure, positive electrode (current output terminal), clamping nut (second locknut), insulating clamping ring (first insulator ring), glass insulator (second insulator ring), key, diaphragm voltage regulator (membrane wounds) and back plate support (back electrode), diaphragm (membrane). The insulator is made of synthetic sapphire or ruby. The part of the structure behind the stainless steel membrane (which is the PCM housing) is used to suppress the first resonance, which occurs around 7000 Hz. The movement of the membrane causes the movement of air in the slots of the rear electrode. Sensitivity is a function of static (atmospheric) pressure and temperature. The distance between the membrane and the rear electrode is set using a screw. A pure nickel membrane, housing and rear electrode effectively reduce the temperature dependence of PCM sensitivity. In the assembly, a protective net with all of the indicated parts forms a PCM.

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).Such a PCM allows measuring sound pressure (relative 2 · 10 ^-5 Pa) from several tens of dB or more without limitation in the range of sound frequencies (L. Beranek. Acoustic measurements. Because of I * L. M: 1952, p. 127. Condenser microphones Fig.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.The disadvantage of this PCM is associated with the complexity of the manufacture and tension of the membrane, which is why in the manufacturing process the number of defective PCMs is greater. This manufacturing flaw and the manufacture of the back electrode and the housing of the high nickel alloy increases the cost of PCM.

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.Closest to the proposed invention, the technical solution is a method of assembling PCM for measuring sound pressure. The membrane, the back electrode and the membrane tension regulator are made separately, then the membrane is pulled onto the PCM housing and the distance between the membrane and the rear electrode is set by the membrane tension regulator. The protective mesh, the housing and the membrane tension regulator are made of stainless steel and during assembly provide electrical contact between them. The back electrode is electrically isolated from the body and is also made of stainless steel.

В процессе производства ИКМ подвергают воздействию высокой температуры (150°С) и искусственному старению для обеспечения долговременной стабильности технических параметров.In the manufacturing process, PCMs are subjected to high temperature (150 ° C) and artificial aging to ensure long-term stability of technical parameters.

Статическое давление за мембраной выравнивают для достижения возможно точного определенного нижнего предела рабочего частотного диапазона.The static pressure behind the membrane is equalized to achieve the most accurate defined lower limit of the operating frequency range.

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).This PCM assembly method allows high-precision measurement of sound pressure without limiting the pressure and frequency range under normal and extreme conditions (Bruhl & Kj каталогr catalog of any publication year, for example 1983/84, etc., in the section of condenser microphones).

Недостатки способа сборки ИКМ: сложная технология натяжения мембраны, изготовления заднего электрода, обеспечения необходимого расстояния между мембраной и задним электродом (обкладки) и высокая себестоимость ИКМ.The disadvantages of the PCM assembly method: the complex technology of membrane tension, manufacturing of the rear electrode, providing the necessary distance between the membrane and the rear electrode (plates) and the high cost of PCM.

Задачей настоящего изобретения является снижение себестоимости ИКМ за счет облегчения крепления мембраны с корпусом и натяжения мембраны и сборки ИКМ.The objective of the present invention is to reduce the cost of PCM by facilitating the fastening of the membrane with the housing and the tension of the membrane and the assembly of the PCM.

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÷3,14.1. The technical result is achieved by the fact that in a measuring condenser microphone of sound pressure, consisting of a protective grid, a membrane, a back electrode with holes, an insulator ring, a nut, two locknuts, a second insulator ring is additionally installed on the back electrode, which protrudes above the surface of the rear electrode, forming a gap between the rear electrode and the membrane, three screws are installed in the nut, offset by 120 °, three holes are made coaxially with the screws in the first ring-insulator, the membrane is closed captivity circumferentially between abutment clamped via ring-nut insulator, three screws and lug in the housing, wherein the nut and lock nut are provided with slots, protrusion diameter D ₂ smaller than the main body diameter D to 1.17 ÷ 1.18 times, the rear electrode is a two-step , the ratio of the diameter of the larger stage D ₃ to the diameter of the smaller stage D ₄ is 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.2. The technical result is also achieved by the fact that in the method of assembling a measuring condenser microphone, in which the membrane is mounted on the working surface of the housing, the gap between the membrane and the rear electrode is fixed, the rear electrode is perforated, isolated from the housing, and support holes are made for communication with the atmosphere, the membrane , the housing and the cover are electrically interconnected, form an output for picking up an electrical signal from the output of the rear electrode, it collects a package consisting of a nut and a first insulator ring, in which three holes are drilled 120 ° offset from each other, a technological bag is assembled from several membrane films, which is placed between two plates, a hole is made in one of the plates, membranes of a given diameter are cut out in a clamped position, a second ring is mounted on the back electrode insulator, install the membrane in the housing until it stops with a protrusion on the housing, then fix it with a nut and insert the package into the housing with three screws offset by 120 °, additionally uniformly clamp the membrane through emphasis, then install a lock nut with a pre-formed gap between the membrane and the rear electrode, insert a second insulator ring, tension the membrane by screwing the rear electrode to the level of the formed gap and the formation of a mirror surface of the membrane.

На чертеже изображена конструкция ИКМ в разрезе.The drawing shows a PCM design in section.

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.The PCM design comprises a membrane 1, a second insulator ring 2, a rear electrode 3 (counter plate), a stop 4, a first insulator ring 5, a nut 6 with three screws 7, a first lock nut 8, a slip ring 9, a second lock nut 10, a housing 11 and cover 12. The external dimensions of the PCM - height H, diameter D and size h ₃ - the distance from the current collector terminal 9 to the slice of the housing 11 must meet the requirements of condenser microphones (according to IEC 1094-1). This is because the likelihood of installing or replacing foreign PCMs with proposed PCMs increases. You can use (in particular, the company Bruhl and Kj Кr "Denmark") of acoustic measuring equipment of pressure regulators for the study and calibration of metrological characteristics of PCM.

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

,The second insulator ring can be made of any dielectric depending on the operating conditions of the PCM. The most common are sapphire, glass, etc. The outer diameter of the second insulator ring is 10-10.5 mm, the inner diameter is from 3 to 8 mm. The sensitivity of the PCM depends on the inner diameter. The increment coefficient (sensitivity) of PCM is defined as

,

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.where P is the pressure acting on the membrane 1; ΔС is the increment of the capacitance; C is the initial PCM capacity; a is the inner radius of the second ring insulator 2; μ is the Poisson's ratio of the membrane material; E is the elastic modulus of the membrane material; δ is the membrane thickness; t is the gap between the membrane and the rear electrode.

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.The membrane material can be selected from any high quality alloy used in strain gauge. Recommended - nickel, ferrum nickel alloy, nichrome, etc. The rear electrode 3 is made of stainless steel. When choosing a material, preference can be given to the degree of stability of the shape of the membrane, slightly expanding and high-temperature alloys, for example, an alloy made of ferrum nickel. The material of the PCM housing 11 must be absolutely rigid in order to exclude any distortion during its operation. The recommended materials for the manufacture of the housing 11 and the protective cover 12 are brass, nickel, stainless steel, duralumin, etc. To protect against external influences, anodizing of the last parts is not excluded.

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 корпусаThe air gap (gap) between the membrane and the rear electrode increases stiffness and reduces sensitivity to sound pressure. To reduce the influence of the air gap on the rear electrode, holes from 4 to 8 pcs are made in it. diameter d = 0.4-0.6 mm. A distinctive feature of the rear electrode in comparison with the selected type of PCM prototype is that the rear electrode is made of two steps. The ratio of the larger diameter (9.4-9.5 mm) (lower stage) to the smaller diameter (3-8 mm) (upper stage) is 1.18-3.14, and the entire length of the collector terminal 9 of the rear electrode 3 is formed M3 thread. The tip of the collector terminal 9 is spherical in shape with a sphere height = 1.3 ÷ 1.5 mm. Fastener - stop 4 is made of the same metal as the body. The PCM casing from the back surface of the membrane is made with a protrusion h ₂ = 0.9 ÷ 1.0 mm with a diameter less than the main diameter of the casing

.

Зазор между лицевой частью мембраны и крышкой h₁=0,35÷0,4 мм. Зазор между мембраной и задним электродом t=50÷60 мкм.The gap between the front of the membrane and the cover h ₁ = 0.35 ÷ 0.4 mm. The gap between the membrane and the rear electrode is t = 50 ÷ 60 μm.

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.The first insulator ring 5 of height l is made of dielectric, as well as the second insulator ring 2. In contrast to the PCM insulator described in the prototype, the M3 thread is formed in the first insulator ring 5 along the entire length l. On the surface of the first insulator ring 5 at an equal distance from each other around a circle with a diameter of D1, three holes are formed with a diameter of d1 = 2.4 ÷ 2.5 mm, offset from each other by 120 °. Three screws 7 pass through these holes and are screwed into the nut 6 for uniform pinching of the membrane with nut 6. The pinching of the membrane occurs along the entire circumference of the membrane. Nuts 6 and locknuts 8, 10 have slots (outer diameter) for a screwdriver. The first and second locknuts 8, 10 are also made of steel 45. PCM with an external circuit is connected through a spherical collector terminal 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.The principle of PCM. When the sound pressure ΔP changes, the distance between the membrane t and the rear electrode 2 from the stainless steel changes. As a result of the deflection of the membrane 1 relative to the electrode 2, the initial capacitance C, the increment of the capacitance ΔC and the relative change in capacitance change

. The voltage at the PCM output changes in proportion to the increment

and polarization voltage. The PCM output voltage is measured between the collector terminal 9 and the housing 11. A polarization voltage of 200 V is applied between the membrane 1 and the housing 11.

Сборку ИКМ осуществляют следующим образом.Assembly PCM is as follows.

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.Stage One. A membrane 7, a second and a first ring-insulator 2 are made; 5, rear electrode 3, emphasis 4, nut 6, screws 7, first and second locknuts 8; 10, the housing 11 and the cover 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°.Stage Two. The nut 6 and the first insulator ring 5 are assembled in one bag, three holes with a diameter of d1 are drilled (formed) in it, offset by 120 ° from each other.

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.Stage Three. From membrane films in an amount of 10 to 20 pcs. collect the package, it is placed between two plates, one of the plates with holes (perforated). The diameter of the perforation of the plates is equal to the diameter of the blank of the membrane. The assembled package in the clamped position is installed on a controlled software machine, using a pen drill, a membrane with a workpiece diameter of 10 mm is cut out. Another method for manufacturing the membrane is possible. You can cut the membrane by cutting a specially made tube of the required diameter.

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.At the same time, the back electrode of diameter d is perforated. Install the membrane 7 in the housing 11 with the back to the stop (see drawing) with a protrusion h ₂ on the housing, i.e. the membrane is not mounted on the pressure supply side P to the membrane. The contact of the membrane with the housing provides a good electrical contact of the membrane with the housing 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.Stage Four. Regardless of the steps (from the first to the third), the main assembly is assembled as follows: on the back electrode 3, an emphasis 4 and a second insulator ring 2 are installed, then the first insulator ring 5 is screwed onto it to the end and inserted (placed) together in the housing 11 (from the back of the membrane). Then fix it with a nut 6 and using three screws 7 offset between themselves by 120 °, additionally uniformly clamp the membrane 1 through the stop 4. Then install the first lock nut 8. Moreover, the PCM assembly in the housing, unlike the existing PCM assemblies, is carried out from the rear surface of the membrane, not from the front of the membrane where sound pressure is applied

. Moreover, the gap t between the membrane and the rear electrode is formed in advance, i.e. on the back electrode 3 put on a second ring-insulator 2, which protrudes above the surface of the back electrode to a height of t. The gap between the membrane and the cover h ₁ = 0.35 ÷ 0.5 mm is set based on the operating conditions of the membrane.

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

Stage Five. The membrane is tensioned by screwing the back electrode 3 until a mirror surface is formed without corrugation (without wrinkles) and secured with a second lock nut (clamping nut) 10. As can be seen from the drawing, the edges of the membrane film are strongly clamped between the housing 11 and the stop 4. Moreover, the membrane 1 is tensioned along the perimeter due to uniform forward movement with a small step with a sharp end (cut at an angle of 45 °) of the second isolator ring. With such an assembly, the rear electrode is completely insulated from other live parts. The maximum diameter of the membrane preform 11-12 mm is chosen for structural reasons, so that it is convenient to ensure good interference and matching of the effective surfaces of the membrane and the rear electrode. The diameter of the effective surface 2a is from 3 to 8 mm. With a gap between the membrane and the back electrode of 50 to 60 μm, the thickness of the membrane can be selected from 5 to 20 μm. At the same time, they provide measurement of sound pressure from 50 to 150 dB and higher with a linear calibration characteristic. Provide a distance between the cover 12 and the membrane 1 in the order of 0.3 to 0.5 mm. The support hole with a diameter of d ₂ = 0.3 ÷ 0.4 mm, drilled through the housing 11 and the stop 4, provides a link between the atmospheric pressure P ₀ behind the membrane and the overpressure P. The instantaneous value of the overpressure in the air layer due to the displacement of the membrane is defined as

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.where Δ is the displacement of the membrane; η is the radial displacement of air in the layer; t is the thickness of the air layer; and - the current radius of the membrane. This reasoning is valid for a plane wave, i.e. sinusoidal shape, and we assume that all quantities characterizing the state of the air layer are the same in its thickness and elasticity is determined by the air layer under the rigid part of the membrane.

Этап шестой. Исследуют метрологические характеристики ИКМ согласно ГОСТ 13751-73, составляют паспорт или формуляр и сертифицируют.Stage Six. They study the metrological characteristics of PCM according to GOST 13751-73, compile a passport or form and certify.

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.The technical and economic effect of PCM is enhanced by saving membrane material, reducing assembly time, improving and simplifying the conditions of membrane tension. Almost without production defects, PCM is assembled, which allows to reduce the cost of PCM in comparison with the selected types of PCM - prototype and analog.

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.For this purpose, TsAGI produced one microphone. Housing, cover, rear electrode made of stainless steel. The first and second ring insulators were made of fluoroplastic. The membrane material is nickel with a thickness of 5-7 microns, a ferrum-nickel alloy with a thickness of 10-12 microns. The maximum membrane diameter of 10 mm is cut out by a punch. Each part used to assemble the PCM was also made in a single copy. On one PCM case, it was mounted and dismantled at least 10-15 times. This made it possible to master the PCM assembly technology and refine the design of each part separately and the entire PCM design as a whole. Then the PCM was connected to the equipment of the company RFT (Germany), the amplitude-frequency characteristic was taken and compared with the characteristic of the company RFT. A comparison showed that the characteristics of both PCMs are almost the same. PCM RFT sensitivity is 10% higher. The source of sound pressure was chosen as a speaker 120-125 dB. The linearity of the calibration characteristic was tested under the influence of static pressure from ± 0 to ± 2500 Pa with repeated loading of the membrane with a thickness of 10 μm with an effective area diameter of 8 mm. The nonlinearity of the calibration characteristic did not exceed ± 0.1%. The initial capacitance is 12 ÷ 15 pF, the increment of the capacitance is ΔС = 0.65 pF at a pressure of 1000 Pa. The static pressure on the membrane was set with an alcohol manometer. The results obtained indicate the likelihood of developing cheap and reliable PCMs in the future.

Claims

1. Measuring condenser microphone of sound pressure, consisting of a protective grid, a membrane, a back electrode with holes, an insulator ring, a nut, two locknuts, characterized in that a second insulator ring is additionally installed on the back electrode, which protrudes above the back surface electrode, forming a gap between the rear electrode and the membrane, three screws are installed in the nut, offset by 120 °, three holes are made coaxially with the screws in the first insulator ring, the membrane is fixed around the circumference between y focusing clamped via ring-nut insulator, three screws and lug in the housing, wherein the nut and lock nut are provided with slots, protrusion diameter D ₂ smaller than the main body diameter D to 1.17 ÷ 1.18 times, the rear electrode is two-step, the diameter ratio a larger stage D ₃ to the diameter of a smaller stage D ₄ is 1.18 ÷ 3.14.

2. A method of assembling a measuring condenser microphone, in which the membrane is mounted on the working surface of the housing, the gap between the membrane and the rear electrode is fixed, the rear electrode is perforated, isolated from the housing, the support holes are made for communication with the atmosphere, the membrane, the housing and the cover are electrically interconnected form an output for picking up an electrical signal from the output of the rear electrode, characterized in that they collect a package consisting of a nut and a first insulator ring, in which three holes are drilled, offset 120 ° apart, a technological bag is assembled from several membrane films, which is placed between two plates, a hole is made in one of the plates, membranes of a given diameter are cut out in a clamped position, a second insulator ring is installed on the rear electrode, and a membrane is installed in the case until it stops with a protrusion on the case, then fix it with a nut and insert the package into the case with three screws offset by 120 °, additionally uniformly clamp the membrane through the stop, then install the locknut y with the predetermined gap formed between the diaphragm and the back electrode, the second ring is pushed-isolator, the tension of the membrane is carried out before screwing back electrode layer gap formed and the formation of the mirror surface of the membrane.