Преобразователь акустического давления и способ его изготовления Советский патент 1992 года по МПК G01L11/00 

2(А)

фиг.

Изобретение относится к области измерительной техники. Оно может быть использовано в технической акустике для проектирования гидрофонов особенно для области низких частот. Его также можно ис- пользовать для создания датчиков постоянного давления.

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

Электролитическую ячейку для измерения акустического давления изготавливают следующим образом. Устанавливают плоскопараллельные электроды, дегазируют электролит и заполняют им межэлектрод- ное пространство, герметизируют ячейку.

При отсутствии внешнего воздействия мост сбалансирован, если давление в среде изменяется, то изменяется электропроводность электролита ячейки,т.е. ее сопротив- ление, нарушается баланс моста. Величину изменения сопротивления или разбаланса моста можно сопоставить с величиной измеряемого акустического давления.

Акустические приемники, построенные на этом принципе, обладают такими хорошими характеристиками, как большой частотный диапазон, очень маленькое внутреннее сопротивление, способность измерять и постоянное давление, чрезвы- чайная простота конструкции. Однако один недостаток их непригодными для практического применения: очень низкая чувствительность л 10 В/Па, т.е. неспособность измерять небольшие давления.

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

Расчеты показывают, что преобразователи с газовыми пузырьками имеют чувствительность на полтора-два порядка выше, чем при использовании сплошного электролита. Однако она все же остается низкой и недостаточной для измерения малых давлений и, кроме того, использование газовых пузырьков в электролите, заполняющем ячейку, практически бесперспективно из-за нестабильности такой среды во времени.

Целью изобретения является повышение чувствительности преобразователя, расширение динамического диапазона при одновременном улучшении временной стабильности.

Цель достигается тем, что в известном преобразователе акустического давления, содержащем звукопрозрачный корпус г. двумя электродами, заполненном сплошным электролитом, в соответствии с изобретением, в пространство между электродами вво- дят непроводящий наполнитель, выполненный в виде отдельных частиц.

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

Помимо того объемная концентрация сжимаемых частиц равна 0,74.

Цель достигается тем, что в известном способе изготовления электролитической ячейки преобразователя акустического дав- ления, заключающемся в установке в корпусе плоскопараллельных электродов, дегазации электролита и заполнении им межэлектродного пространства и последующей герметизации ячейки, в соответствии с изобретением, межэлектродное пространство заполняют вначале неэлектропроводным наполнителем, производят уплотнение наполнителя до состояния наиплотнейшей упаковки ультразвуковыми колебаниями, причем в процессе уплотнения в межэлектродное пространство вводят электролит, а затем герметизируют ячейку.

На фиг, 1 представлено схематически устройство электролитической ячейки преобразователя акустического давления: 1 - корпус, 2 - плоскопараллельные пластинчатые электроды, 3 - электролит, 4 - частички наполнителя, 5 - звукопрозрачная диафрагма. На фиг.2 представлены эксперименталь- ные зависимости относительного изменения электропроводности Да/а электролита с наполнителем от избыточного давления ДР для разных объемных концентраций наполнителя: 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 экспериментальная зависимость напряжения разбаланса моста U от избыточного давления в среде Д Р для преобразователя с водным электролитом и наполнителем из пенопластовых гранул с /3 - 0,74.

Сущность изобретения состоит R том. что наличие в электролите .ц непронодящего 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 повышения чувствительности на несколько порядков на столько же понижается нижняя граница динамического диапазона. В сравнении с уст- ройством, использующим в качестве включений газовые пузырьки, поднимается и верхняя граница динамического диапазона, т.к. нелинейность в деформации газовых пузырьков сказывается при давлении в доли атмосферы, а в деформации конденсированного вещества - при давлениях на порядки больших. Использование сферических частиц одного радиуса из материала с закрытопористой структурой по- зволяет технологически просто изготовить ячейку с объемной концентрацией 0,74, отвечающей условию наиплотнейшей упаковки и высокой чувствительности устройства. Кроме того, такие включения не добротны, не имеют резонансов, тем более при плотной упаковке, что ведет к расширению частотного диапазона.

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

Нижняя граница частотного диапазона устройства простирается от нуля частот, т.е. оно позволяет измерять и постоянные давления. Следуе г также отметить простоту ус- тройства и дешевизну электролитических преобразователей акустического давления.

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

) Ј

т

где-Uo - амплитуда напряжения питания моста; Д - начальная объемная концентрация наполнителя; а-i - электропроводность

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

Таким образом, чтобы найти теоретическую чувствительность, необходимо знать связь между электропроводностью аи объемной концентрацией наполнителя / . В электрохимии эта задача в настоящее время до конца не решена. Дело в том, что при больших/ заметную роль в формировании электропроводности а начинает играть по- верхндстная проводимость частичек наполнителя за счет ионов двойного электрического слоя 2. Причем, если объемы непроводящих частиц снижают электропроводность среды, то поверхностные эффекты увеличивают ее. При некоторых значениях j30 эти два механизма могут скомпенсировать друг друга. Количественные параметры этого явления сложным образом связаны со свойствами используемого электролита, вещества частиц наполнителя, их формы и размеров. К сожалению, невозможно дать общую формулу для сг(/) , учитывающую все эти факторы и пригодную для практических расчетов.

Анализ имеющихся материалов показывает, что произведение сомножителей ( 1 - fio ) (r)0/d/ )p должно иметь максимум при значениях/ о в промежутке 0,5- 1. Среди этих больших значений /3 более определенным и легче технически реализуемым является 0,74, отвечающее случаю наиплотнейшей упаковки шаров одинакового радиуса. Именно это значение можно рекомендовать для составления суспензии, заполняющей электролитическую ячейку, во всяком случае до разработки более четкой теории электрических явлений в суспензиях или до получения более охватывающих экспериментальных результатов.

На фиг.2 представлены полученные в эксперименте зависимости До/а от избыточного давления ДР в электролитической ячейке для технического глицерина с наполнителем из пенопластовых гранул сферической формы с разной начальной объемной концентрацией. Они иллюстрируют сложную связь 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 преобразователя с таким заполнением при включении его в схему равноплечного моета. Оказалось, что для 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 преобразователя конкретного исполнения. Электролитическая ячейка имела стеклянный корпус цилиндрической формы с двумя электродами из нержавеющей стали диаметром 2.2 см и расстоянием между ними 2 см. Ячейка заполнялась гра- пулами пенопласта диаметром 2,5+ 0,5 мм до / 0,74 и водным раствором поваренной соли с массовой концентрацией соли . Электрическое сопротивление ячейки ока- залось равным 2,6 кОм. Ячейка была включена в схему равноплечного моста. Частота синусоидального напряжения генератора - 100 кГц, амплитуда - 10 В.

Устройство градуировалось в условиях квазистатического изменения давления в среде, окружающей ячейку. Для этого она помещалась в камеру с регулируемым давлением внутри. Избыточное давление А Р изменялось в диапазоне от 0 до 105 Па и изменялось манометром с точностью Па.

Измерялась 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. Вычисленная из этой зависимости чувствительность оказалась равной (8,1i tO,5) В/Па, что более чем на два порядка превышает чувствительность прототипа. Такая чувствительность делает электролитические преобразователи пригодными для практического использования и конкурент- неспособными с преобразователями других типов.

При изготовлении электролитической ячейки для предлагаемого преобразователя предлагаются следующие рекомендации, На фиг.1 представлено схематическое устройство одной из конструкций. Корпус 1 выполнен из непроводящего материала, не вступающего в реакцию с электролитом (например, химически стойкие сорта стекол, фторопласт, полиэтилен, полипропилен). Имеются два плоскопараллельных электрода 2. Один из них А (по рисунку - нижний) сплошной и закреплен неподвижно. Второй - В - должен иметь свободу перемещения (например, по резьбе) и фиксации. Он имеет отверстия для прохождения электролита 3. Сверху установлена звукопрозрачная диафрагма 5. Она может иметь минимальную

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

Заполнение ячейки следует производить в следующем порядке. При убранном верхнем электроде и диафрагме она заполняется сферическими частицами до состояния наиплотнейшей упаковки. Устанавливается верхний электрод до соприкосновения со слоем частиц. Ячейка ставится на поверхность ультразвукового преобразователя, который находится в ванне с водой или другой неагрессивной жид костью. В ячейку заливается электролит и включаются ультразвуковые колебания. Время ультразвукового воздействия определяется временем образования слоя чистого электролита под верхним электродом из-за уплотнения частиц и дегазации электролита.

Выбранный и опробованный ультразвуковой режим: частота 18,5 кГц. Амплитуда колебательного смещения на поверхности ультразвукового преобразователя 5-10 мкм (не очень сильная кавитация). При необходимости, верхний электрод еще опускается и фиксируется. После этого устанавливается 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-экономическая эффективность по сравнению с базовым объектом, характеризующим мировой уровень техники, в качестве которого выбран 1. заключается, в первую очередь, в том, что путем введения в электролитическую ячейку легкосжимаемых частиц наполнителя определенной концентрации резко, на несколько порядков, повышается чувствительность преобразователя акустического давления, что при наличии других положительных качеств делает его пригодным для практического использования и конкурентноспособным с преобразователями других типов. Предлагаемый преобразователь является чуть ли не единственным, способным измерять как акустическое знакопеременное, так и постоянное давления.

Кроме того, использование в качестве наполнителя частичек из конденсированного вещества позволяет построить преобразователи со стабильными временными характеристиками.

Формула изобретения

1. Преобразователь акустического давления, выполненный в виде ппекгролитической ячейки, содержащей заполненный электролитом корпус с мембраной и двумя плоскопараллельными электродами, один из которых перфорированный, отличающийся тем. что, с целью повышения чувствительности и расширения динамического диапазона, в нем в пространство между электродами введен неэлектропроводный наполнитель, выполнен в виде отдельных объемносжимаемых частиц.

2.Преобразователь по п.1, отличающийся 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- чающийся тем, что в нем объемная концентрация сжимаемых частиц равна 0,74.

4. Способ изготовления преобразователя акустического давления, включающий изготовление электролитической ячейки путем установки в корпус плоскопяраллельных электродов, дегазации электролита и заполнения им межэлектродного пространства, и последующую герметизацию ячейки с помощью установки мембраны, отличающийся тем, что, с целью повышения

чувствительности и расширения динамического диапазона преобразователя, межэлектродное пространство заполняют вначале электропроводным наполнителем, производят уплотнение наполнителя до состояния плотной упаковки ультразвуковыми колебаниями, причем в процессе уплотнения в межэлектродное пространство вводят электролит, а затем герметизируют ячейки.

Использование: изобретение относится к измерительной технике и может быть ис7, (-. -..... . ж . S (-. пользовано для проектирования гидрофонов, в том числе для низких и инфранизких частот, а также для создания датчиков постоянного давления. Изобретение может быть использовано в гидролокации, в системах подводной связи, при исследовании внутренних волн в океане, в сейсмологии, в медицине. Цель изобретения состоит в повышении чувствительности и расширении динамического диапазона. В электролитическую ячейку преобразователя вводят, наряду с электролитом 3, частички 4 наполнителя. В качестве наполнителя используют частицы закрытопористого материала, например пенопласта сферической формы одного радиуса, при плотной их упаковке в межэлектродном пространстве ячейки. Изготовление электролитической ячейки производят путем заполнения ее частицами и электролитом при ультразвуковом воздействии. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 3 ил, 5 2(8) 00 сл ы ю

-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

+

+