Электростатический конденсаторный преобразователь

 

Использование: при изготовлении ультразвуковых приемопередающих конденсаторных преобразователей для акустических уровнемеров, устройств охранной сигнализации и т.п. Сущность изобретения: устройство содержит корпус, электропроводный неподвижный электрод с кольцевыми прямоугольными выступами и впадинами на лицевой стороне, первое кольцо, расположенное вокруг неподвижного электрода, первую мембрану в виде натянутой односторонне металлизированной полимерной пленки, непроводящей стороной прилегающей к выступам неподвижного электрода, диэлектрическое основание, второе электропроводное и третье кольца, вторую мембрану в виде натянутой односторонне металлизированной полимерной пленки, первую и вторую гибкие кольцевые диэлектрические прокладки, плоский экран в форме кольца. Корпус с лицевой стороны имеет форму рупора. Первая мембрана прикреплена непроводящей стороной к первому кольцу и соприкасается металлизированной стороной с вторым кольцом, первое и второе кольца расположены друг под другом. Толщина второй прокладки не превышает 300 мкм. 1 ил.

Изобретение относится к электроакустике и может быть использовано при изготовлении ультразвуковых приемопередающих преобразователей для акустических уровнемеров, устройств охранной сигнализации и т.п.

Известен электроакустический приемоперадающий конденсаторный преобразователь, содержащий корпус, электропроводный неподвижный электрод в форме диска с кольцевыми выступами и впадинами, непроводящее кольцо, расположенное вокруг неподвижного электрода, и прилегающую непроводящей стороной к выступам неподвижного электрода односторонне металлизированную полимерную пленку, выполняющую роль подвижного электрода [1].

Известны также преобразователи, металлизированная пленочная мембрана которых предварительно натянута и прикреплена (приклеена) к кольцу из изоляционного материала, расположенного вокруг неподвижного электрода [2, 3].

Прототипом изобретения является преобразователь [1]. Его недостатками являются малый КПД в режиме передачи и низкая чувствительность в режиме приема.

Техническим результатом от использования изобретения является повышение КПД преобразователя в режиме передачи и чувствительности в режиме приема.

Данный результат достигается за счет того, что электроакустический конденсаторный преобразователь, содержащий корпус, электропроводный неподвижный электрод с кольцевыми прямоугольными выступами и впадинами на лицевой стороне, первое кольцо, расположенное вокруг неподвижного электрода, а также выполняющую роль подвижного электрода первую мембрану в виде натянутой односторонне металлизированной полимерной пленки, непроводящей стороной прилегающей к выступам неподвижного электрода, имеет диэлектрическое основание, второе электропроводное и третье кольца, вторую мембрану в виде натянутой односторонне металлизированной пленки, первую и вторую гибкие кольцевые диэлектрическое прокладки, плоский экран в форме кольца, при этом внутренний диаметр первого кольца больше диаметра неподвижного электрода, корпус с лицевой стороны имеет форму рупора, неподвижный электрод прикреплен к основанию с помощью центрального винта, выполняющего роль одного из выводов преобразователя, на тыльной стороне неподвижного электрода имеется кольцевая периферийная проточка, на лицевой стороне основания - кольцевой выступ, между выступом и проточкой расположена первая прокладка, первая мембрана прикреплена (приклеена) непроводящей стороной к первому кольцу и соприкасается металлизированной стороной с вторым кольцом, первое и второе кольца расположены друг под другом и прикреплены к основанию периферийными винтами, один из которых является вторым выводом преобразователя, третье кольцо закреплено внутри второго кольца, вторая мембрана прикреплена (приклеена) к третьему кольцу и обращена металлизированной стороной к первой мембране, между первой и второй мембранами находится вторая прокладка, внутренний диаметр которой равен внутреннему диаметру третьего кольца, а толщина не превышает 300 мкм, внутренний диаметр третьего кольца меньше внешнего диаметра периферийного выступа неподвижного электрода, плоскость, проходящая через вершины выступов неподвижного электрода, не пересекает первого кольца, на тыльной стороне неподвижного электрода закреплен экран, корпус, а также первое и третье кольца могут быть как электропроводными, так и диэлектрическими.

Изобретение поясняется чертежом.

Преобразователь смонтирован на диэлектрическом основании 1 внутри электропроводного или диэлектрического корпуса 2. Неподвижный электрод 3 представляет собой диск с кольцевыми прямоугольными выступами 4 и впадинами 5 на лицевой стороне и кольцевой периферийной проточкой на тыльной стороне. В роли первой мембраны 6 выступает полимерная пленка 7 с напыленным слоем металла 8. Непроводящей стороной мембрана обращена к неподвижному электроду и прикреплена (приклеена) к первому кольцу 9. Металлизированной стороной она соприкасается с вторым кольцом 10, которое является токосъемным. Вторая мембрана 11 так же, как и первая, представляет собой полимерную пленку с односторонней металлизацией. Металлизированная сторона второй мембраны изолирована от токопроводящих частей преобразователя и обращена к первой мембране, а непроводящая прикреплена (приклеена) к третьему кольцу 12. В кольцевой проточке на тыльной стороне неподвижного электрода против кольцевого выступа основания находится первая гибкая кольцевая диэлектрическая прокладка 13. Вторая прокладка 14 размещена между первой и второй мембранами.

Неподвижный электрод закреплен на основании с помощью винта 15 и гайки 16. Кольца 9 и 10 находятся друг под другом и прикреплены к основанию винтами 17. Их должно быть не менее трех. Между собой кольца 10 и 12 могут быть соединены с помощью клея. Клей может быть использован также для соединения каждого из колец с корпусом 2. Винт 15 и один из винтов 17 являются выводами преобразователя. К тыльной стороне основания прикреплен экран 18, который электрически соединен с одним из винтов 17 (не показано).

С лицевой стороны корпус 2 имеет форму рупора, что способствует уменьшению уровня боковых лепестков в диаграмме направленности преобразователя. Для наглядности на чертеже мембраны, а также прокладки 13 и 14 увеличены по толщине.

Устройство работает следующим образом.

В режиме излучения к выводам преобразователя прокладываются поляризующие постоянное (полюсом на неподвижный электрод) и переменное напряжение. Благодаря этому между неподвижным электродом 3 и металлическим слоем 8 первой мембраны возникают постоянное и переменное электрические поля. Постоянное поле приводит к плотному прилеганию мембраны 6 к выступам 4, а переменное - к механическим колебаниям ее над впадинами 5. Эти колебания пневматически возбуждают через замкнутый промежуток воздуха вторую мембрану, которая в отличие от первой колеблется не на отдельных кольцевых участках, а всей поверхностью, что способствует повышению КПД преобразователя.

На непроводящей стороне второй мембраны по различным причинам (из-за облучения светом, бомбардировки заряженных частицами и т.п.) в обычных условиях возникает избыточный положительный заряд, который под действием собственного поля распространяется через тонкий диэлектрический слой мембраны и попадает на изолированный слой металлизации. Этот заряд наводит отрицательный заряд в проводящем слое 8 первой мембраны, что вызывает появление между мембранами постоянного электрического поля, направленного в сторону, противоположную направлению поляризующего поля между первой мембраной и неподвижным электродом. В результате поле между мембранами частично уравновешивает действие на первую мембрану поляризующего поля и она колеблется над впадинами вблизи состояния равновесия, что также повышает КПД преобразователя.

В режиме приема к выводам преобразователя прикладывается только постоянное напряжение поляризации. Колебания среды возбуждают вторую мембрану, которая пневматически взаимодействует с первой мембраной. Перемещения последней в поле поляризации преобразуются в переменное напряжение на электродах. Повышение чувствительности преобразователя в сравнении с прототипом также связано с полем между мембранами, которое вызвано избыточным зарядом.

Напряженность указанного поля обратно пропорциональна расстоянию между мембранами. При больших расстояниях это поле мало и меняется случайным образом вместе с естественным изменением избыточного заряда. При малых расстояниях оно увеличивается и достигает величины, достаточной для пробоя воздушного промежутка между мембранами. Благодаря этому оно стабилизируется, а вместе с этим становятся стабильными параметры преобразователя. Эффект пробоя и стабилизации наблюдается, если указанное расстояние меньше 300 мкм.

При слишком малых расстояниях непараллельность мембран может привести к их соприкосновению и залипанию. Для уменьшения степени непараллельности преобразователь выполнен так, что внутренний диаметр третьего кольца больше внутреннего диаметра периферийного выступа неподвижного электрода, плоскость, проходящая через вершины выступов неподвижного электрода, не пересекает первого кольца, а между первой и второй мембранами находится гибкая прокладка, внутренний диаметр которой равен внутреннему диаметру третьего кольца. Благодаря этому расстояние между мембранами равно толщине прокладки, а их непараллельность зависит от двух легко поддающихся контролю факторов: неодинаковости толщины прокладки на различных участках и неплоскостности прилегающих к мембране поверхностей второго кольца и вершин выступов неподвижного электрода. При изготовлении прокладки с одинаковой толщиной на различных участках и притирании второго кольца и лицевой стороны неподвижного электрода на плоско-шлифовальном станке удается практически, не опасаясь залипания, уменьшить толщину прокладки до 50 мкм.

Вершины выступов неподвижного электрода и лицевая поверхность первого кольца лежат в разных плоскостях. Расстояние между этими плоскостями зависит от толщины первой прокладки 14 и определяет степень натяжения первой мембраны. Подбирая толщину прокладки, добиваются в процессе изготовления преобразователя необходимого натяжения мембраны.

Выступ на основании и периферийная проточка на тыльной стороне неподвижного электрода совместно с винтом 16 предотвращают в процессе эксплуатации преобразователя радиальные перемещения неподвижного электрода относительно основания и связанное с этим изменение натяжения первой мембраны.

Для того, чтобы исключить замыкание неподвижного электрода с первым кольцом в случае, когда оно выполнено электропроводным, неподвижный электрод имеет диаметр меньше, чем внутренний диаметр кольца.

Экран 18, будучи соединенным с одним из винтов 17, защищает преобразователь от электростатических наводок.

Формула изобретения

Электростатический конденсаторный преобразователь, содержащий корпус, электропроводный неподвижный электрод с кольцевыми прямоугольными выступами и впадинами на лицевой стороне, первое кольцо, расположенное вокруг неподвижного электрода, а также выполняющую роль подвижного электрода первую мембрану в виде натянутой односторонне металлизированной полимерной пленки, непроводящей стороной прилегающей к выступам неподвижного электрода, отличающийся тем, что имеет диэлектрическое основание, второе электропроводное и третье кольца, вторую мембрану в виде натянутой односторонне металлизированной полимерной пленки, первую и вторую гибкие кольцевые диэлектрические прокладки, плоский экран в форме кольца, при этом внутренний диаметр первого кольца больше диаметра неподвижного электрода, корпус с лицевой стороны имеет форму рупора, неподвижный электрод прикреплен к основанию с помощью центрального винта, выполняющего роль одного из выводов преобразователя, на тыльной стороне неподвижного электрода имеется кольцевая периферийная проточка, на лицевой стороне основания - кольцевой выступ, между выступом и проточкой расположена первая прокладка, первая мембрана прикреплена (приклеена) непроводящей стороной к первому кольцу и соприкасается металлизированной стороной с вторым кольцом, первое и второе кольца расположены друг под другом и прикреплены к основанию периферийными винтами, один из которых является вторым выводом преобразователя, третье кольцо закреплено внутри второго кольца, вторая мембрана прикреплена (приклеена) к третьему кольцу и обращена металлизированной стороной к первой мембране, между первой и второй мембранами находится вторая прокладка, внутренний диаметр которой равен внутреннему диаметру третьего кольца, а толщина не превышает 300 мкм, внутренний диаметр третьего кольца меньше внешнего диаметра периферийного выступа неподвижного электрода, плоскость, проходящая через вершины выступов неподвижного электрода, не пересекает первого кольца, на тыльной стороне неподвижного электрода закреплен экран, корпус, а также первое и третье кольца могут быть как электропроводными, так и диэлектрическими.

РИСУНКИ

Рисунок 1