|
| |
 |
Электронные компоненты Мануалы зонансной частотой подсоединительной конструкции датчика, может привести к ее разрушению, так как механическая добротность подобных приспособлений очень высока. В связи с этим резонансные свойства подсоединительных кронштейнов должны быть тщательно исследованы. В ряде случаев можно использовать так называемые безрезонансные приспособления. Это, как правило, наборные конструкции, состоящие из нескольких слоев сравнительно тонкого листового материала, плотно стянутых между собой. Добротность такой коиструкции невысока, и резонансные явления практически не заметны. 8.4. ДАТЧИКИ АКУСТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ В последнее время развитие ряда отраслей техники, таких, как авиационная, космическая, автомобильная и др., поставило перед метрологами вопрос о точном измерении звуковых давлений высокой интенсивности. В технической акустике принято оценивать звуковое давление чаще всего не в абсолютных, а в относительных логарифмических единицах-децибеллах. Уровень звукового давления определяется по формуле iV = 20 Ig {PIP,) дБ, где Р - эффективное давление акустического сигнала; о = 1рЛ = 2-10-5 Па (2-10"* мк/бар), Рс - акустическое сопротивление, представляющее собой эффективное давление, соответствующее интенсивности звука /о, которая по международному соглашению выбрана равной {IQ" эрг/см) 10" Дж/м и приближенно соответствует интенсивности едва слышимого звука в частотной области наибольшей чувствительности слуха. При работе современных технических устройств возникают уровни звуковых давлений до 200 Па (140 дБ) и выше. Такие уровни давлений приводят к неправильной работе измерительной и навигационной аппаратуры, разрушению самолетной обшивки и т. п. Эго выдвигает настоятельную задачу измерения уровней звукового давления с целью учета вредного влияния акустического шума различных изделий и объектов. Можно сформулировать общие требования, стоящие перед разработчиком при проектировании датчиков акустического давления. Датчик должен удовлетворять требованию минимального искажения акустического поля, иметь широкий диапазон рабочих частот, давлений, температур. Пьезоэлектрические преобразователи удовлетворяют большинству из этих требований. Им можно придать практически любую форму и размеры; они достаточно прочны, имеют высокую чувствительность и широкий частотный диапазон; их применяют в от- носительно широком диапазоне температур и статических давлений. В разработках датчиков звукового давления получили распространение пьезоэлементы из титаната бария и из цирконата свинца. Эта пьезокерамика по своей структуре является поликристаллической, пьезоэлементы из нее могут быть изготовлены любой формы и размеров, а затем поляризованы в нужном направлении. Поэтому в пьезоэлементах могут возбуждаться любые виды колебаний, например радиальные колебания в цилиндрах, шарах. Как электроакустический преобразователь датчик звукового давления оценивается следующими характеристиками: акустической чувствительностью S, определяемой отношением выходного напряжения f/вых развиваемого датчиком, к измеряемому звуковому давлению на частоте / = 1000 Гц; частотной характеристикой акустической чувствительности, выражающей зависимость генерируемого датчиком напряжения от частоты при постоянном звуковом давлении (напряжение на частоте / = 1000 Гц принимается за начало отсчета); амплитудной характеристикой, т. е. зависимостью напряжения, генерируемого датчиком, от уровня измеряемого звукового давления; вибрационной чувствительностью Од, численно равной напряжению, вырабатываемому датчиком, при воздействии на него вибрационных нагрузок в 9,8 м/с (на частоте / = 1000 Гц); частотной характеристикой вибрационной чувствительности, представляющей собой зависимость напряжения от частоты при постоянной вибрационной нагрузке. Поскольку акустические датчики - это датчики малых уровней давлений [2кПа (200 дБ) ], то особое внимание уделяется получению высокой чувствительности. Поэтому чувствительными элементами акустических датчиков являются тонкие пьезокера-мические диски большой площади. В качестве таких элементов можно использовать биморфы, представляющие собой две склеенные пластины (диски), работающие на изгиб (рис. 8.11, а). Для закрепления биморфных пьезоэлементов применяют упруго-мягкие материалы, например ПОВ-30, ПОВ-50, пенопласт ФК20-А20. Сами биморфы, как правило, покрывают влагозащитным слоем лака. Конструкция акустического преобразова- Рис. 8.11. Применение биморфов I liUrU 1,ч в датчиках акустического давления: биморфиый элемент; б - конструк- Л акустическог о преобразователя v    Рис. 8.12. Модификация конструкций акустических датчиков: а - с дисковым пьезоэлементом, работающим на изгиб; б - с дисковым пьезоэлементом, работающим на растяжеиие-сжатие; в - с цилиндрическим пьезоэлементом, работающим с деформациями сдвига теля С биморфным элементом приведена на рис. 8.11, б. Биморф 1 зажат в кольце°2 из упруго-мягкого материала. Поджатие осуществляется с помощью втулки 5 и гайки 4. Все элементы датчика размещают в корпусе 5, имеющем Мельноточеную мембрану б. В мембране имеются отверстия для прохождения акустических волн. Акустическая чувствительность такой конструкции где г - радиус биморфа (по месту заделки); h - толщина; ggi - пьезоэлектрический коэффициент; б - коэффициент, характеризующий степень зажатия пьезоэлемента. Коэффициент бЪпределяется из соотношения £{(1-6) а№ где Е\ = Eil{\ - р); Е - модуль упругости материала кольца; р - коэффициент Пуассона; Е - модуль упругости пьезомате-риала; t - толщина кольца; а - глубина заделки; Ъ - ширина кольца. Конструкции датчиков с использованием чисто биморфных элементов обладают рядом недостатков, ограничивающих область их применения. Прежде всего следует отметить технологические трудности крепления биморфов, кроме того, попадание в отверстия мембраны пыли, влаги и других продуктов окружающей рабочей среды создает дополнительные трудности, связанные с защитой биморфного элемента. Биморфные преобразователи имеют небольшой частотный диапазон («мягкое» закрепление биморфа), малую механическую прочность, большую чувствительность к вибрациям. Для исключения этих недостатков один из дисков биморфа заменяют мембраной, на которую наклеивают второй диск (рис. 8.12, й). Параметры мембраны подбирают таким образом, чтобы плоскость склеивания не деформировалась, т. е. испытывала чистый изгиб. При ЭТО.М на обкладках пьезоэлемента возникают заряды разного знака. Подробное теоретическое исследование преобразователя с дисковым пьезоэлементом, наклеенным на мембрану, дано в работах [139, 140]. 196 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 [ 63 ] 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 |