Преобразователь акустического давления и способ его изготовления

ОЮЗ СОВЕТСКИХОЦИАЛИСТИЧЕСКИЕСПУБЛИК О 1778579 191 1)5 0 01 1 11/ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(71) Ленинградский государственный университет(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ АКУСТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ(57) Использование: изобретение относится к измерительн )й технике и может быть использовано 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 злектролитической ячейки производят путем заполнения ее частицами и электролитом при ультразвуковом воздействии. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 3 ил, 550Расцеты показывают, цто преобразователи с газовыми пузырьками имеют чувствительность на полтора-два порядка выше, чем при использовании сплошного электролита. Однако она все же остается низкой и 55 недостаточной для измерения малых давлений и, кроме того, использование газовых пузырьков в электролите, заполняющем ячейку, практически бесперспективно из-за нестабильности такой среды во времени,Изобретение относится к области измеригельной техники. Оно может быть использовано в технической акустике дляпроектирования гидрофонов, особенно дляобласти низких частот, Его также можно использовать для создания датчиков постоянного давления,Известен преобразователь акустического давления 11, наиболее близкий кпредлагаемому изобретению, Преобразователь представляет электролитическуюячейку, включенную в равноплецный мост.Ячейка имеет звукопрозрачный корпус, Всеустройство содержит также измеритель разбаланса моста,Электролитическую ячейку для измерения акустического давления изготавливаютследующим образом. Устанавливают плоскопараллельные электроды, дегазируютэлектролит и заполняют им межэлектродное пространство, герметизируют ячейку.При отсутствии внешнего воздействиямост сбалансирован, если давление в средеизменяется, то изменяется электропроводность электролита ячейки, т,е, ее сопротивление, нарушается баланс моста, Величинуизменения сопротивления или разбалансамоста можно сопоставить с величиной измеряемого акустического давления.Акустические приемники, построенныена этом принципе, обладают такими хорошими характеристиками, как большой частотный диапазон, очень маленькоевнутреннее сопоотивление, способностьизмерять и постоянное давление, чрезвычайная простота конструкции. Однако одиннедостаток делает их непригодными дляпрактического применения: оцень низкаячувствительность ф 10 В/Па, т,е, неспособность измерять небольшие давления,Там же в 11 указано на возможностьповышения чувствительности таких приемников, Например, если в электролит междуэлектродами ячейки ввести газовые пузырьки, то изменениеэлектропроводности будетв основном определяться не изменениемсвойств жидкости, а изменением объемовгазовых пузырей под действием избыточного давления,5 10 15 20 25 30 35 40 45 Целью изобретения является повьнцение 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 вводят непроводящий наполнитель, выполненный в виде отдельных частиц.Кроме того, поставленная цель достигается тем, что объемно сжимаемые частицы выполнены из материала с закрытопористой структурой и имеют сферическую форму одинакового радиуса,Помимо того объемная концентрациясжимаемых частиц равна 0,74,Цель достигается тем, что в известномспособе изготовления электролитической ячейки преобразователя акустического давления, заключающемся в установке в корпусе плоскопараллельных электродов,дегазации электролита и заполнении им мекэлектродного пространства и последующей герметизации ячейки, в соответствии с изобретением, межэлектродное пространство заполняют вначале неэлектропроводным наполнителем, производят уплотнение наполнителя до состояния наиплотнейшей упаковки ультразвуковыми колебаниями, прицем в процессе уплотнения в межэлектродное пространс 1 во вводят электролит, а затем герметизируют ячейку.На фиг,1 представлено схематически устройство электролитицеской ячейки преобразователя акустического давления: 1 корпус, 2 - плоскопараллельные пластинчатые электроды, 3 - электролит, 4 - частички наполнителя, 5 - звукопрозрачная диафрагма, На фиг.2 представлены экспериментальные зависимости относительного изменения электропроводности Лу/О электролита с наполнителем от избыточного давления ЬР для разных объемных концентраций наполнителя; 1 - 0,400,06; 2 - 0,028 10,004; 3 - 0,019 ф 0,003; 4 - 0,0090,002, Электродит - технический глицерин, содержащий ионы примесей, наполнитель - гранулы пенопласта сферической формы, На фиг,3 представленаа экспериментальная зависимость напряжения разбаланса моста О от избыточного давления в среде Ь Р для преобразователя с водным электролитом и наполнителем из .пенопластовых гранул с 3 = 0,74,Сущность изобретения состоит в том, что наличие в электролите частиц непрпво.дящего легкосжимаемого материала резко повышает сжимаемость среды, а поэтому и чувствительность всего устройства. Частички конденсированного вещества несложно зафиксировать в межэлектродном пространстве и получить устойчивую во времени систему. Из-за повышения чувствительности на несколько порядков на столько же понижается нижняя граница динамического диапазона, В сравнении с устройством, использующим в качестве включений газовые пузырьки, поднимается и верхняя граница динамического диапазо-. на, 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 позволяет 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 большой объемной концентрации, из-за поверхностной проводимости может быть меньше сопротивления ячейки со сплошным электролитом, Это приводит к снижению уровня собственных шумов устройства и дополнительному 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 устройства и дешевизну электролитических и реобразователей акустического давления.Если преобразователь включен в схему равноплечного моста, то можно показать, что чувствительность устройства к измене. нию внешнего давления ЛР будет определяться формулойК - - --- Ооо (1 - Д ) - х1М ( ) (1)где Оо - амплитуда напряжения питания моста; /3 - начал ьная объемная концентрация наполнителя; и - электропроводность электролита:р 2 и С 2- плотность и скоростьзвука материала наполнителя; д - электропроводность среды между электродамиячейки,5 Таким образом, чтобы найти теоретическую чувствительность, необходимо знатьсвязь между электропроводностью (ти объемной концентрацией наполнителя ф . Вэлектрохимии эта задача в настоящее время10 до конца не решена. Дело в том, что прибольших ф заметную роль в формированииэлектропроводности о начинает играть поверхнрстная проводимость частичек наполнителя за счет ионов двойногоэлектрического слоя 21, Причем, если объемы непроводящих частиц снижают электропроводность среды, то поверхностныеэффекты увеличивают ее, При некоторыхзначениях Д эти два механизма могут20 скомпенсировать друг друга. Количественные параметры этого явления сложным образом связаны со свойствамииспользуемого электролита, вещества частиц наполнителя, их формы и размеров, Ксожалению, невозможно дать общую формулу для д, учитывающую все эти факторы и пригодную для практическихрасчетов.Анализ имеющихся материалов показывает, что произведение сомножителейдо ( " - Ро ) (дС 7 д,8)р должно иметь максимум при значениях/3в промежутке 0,51. Среди этих больших значений ф болееопределенным и легче технически реализуемым является /3 кг, = 0,74, отвечающееслучаю наиплотнейшей упаковки шароводинакового радиуса. Именно это значениеф,р можно рекомендовать для составлениясус пензии, запол н я ющей электролитиче 40 скую ячейку, во всяком случае до разработки более четкой теории электрическихявлений в суспензиях или до получения более охватывающих экспериментальных результатов,На фиг,2 представлены полученные вэксперименте зависимости ЛОЛг от избыточного давления ЛР в электролитическойячейке для технического глицерина с наполнителем из пенопластовых гранул сферической формы с разной начальной объемнойконцентрацией. Они иллюстрируют сложнуюсвязь объемов и поверхности включений вформировании электропроводности суспензий. Видно, что при разныхф знаки зависимостей Ло (Л Р) могут быть разными,На основании данных фиг.2 можно вычислить ожидаемую чувствительность преобразователя с таким заполнением при, включении его в схему равноплечного мос 1778579та. Оказалось, что для самой крутой зависимости 1 (Ро = 0,4) при Оо -" 10 В чувствительность равна К = 5,5 10 В/Па, что уже превышает чувствительность прототипа.Было проведено экспериментальное исследование 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 нулами пенопласта диаметром 2,5+ 0,5 мм до ф= 0,74 и водным раствором поваренной соли с массовой концентрацией соли 10 з. Электрическое сопротивление ячейки оказалось 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 ЬР изменялось в диапазоне от 0 до 10 Па и изменялось манометром с точностью 3 10 Па.Измерялась величина разбаланса моста 0 от ЬР. Результат представлен на фиг,3. Видно, что в пределах исследованного диапазона Ь Р зависимость носит практически линейный характер, т.е. динамический диапазон устройства не менее 10 Па, Вычисленная из этой зависимости чувствительность оказалась равной (8,1 ф Ю,5)10 В,/Па, что более чем на два порядка превышает чувствительность прототипа. Такая чувствительность делает электролитические преобразователи пригодными для практического использования и конкурентноспособными 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 минимальную5 1015 20 25303540 45 50 55 ственным, способным измерять как акустическое знакопеременное, так и постоянное давления.Кроме того, использование в качественаполнителя частичек из конденсированного вещества позволяет построить преобразователи со стабильными временными характеристиками.Формула изобретения 1, Преобразователь акустицеского давления, выполненный в виде эпекгролитицесобственную 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 впространстве между электродами корен. ным образом не ухудшит характеристики устройства, если газ не образует сплошнойперегораживающей прослойки, разрывающей цепь тока.Технико-экономическая эффективность по сравнению с базовым объектом, характеризующим мировой уровень техники, в кацестве которого выбран (1), заключается, в первую очередь, в том, цто путем введенияв электролитическую яцейку 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 един 1776579 10ской ячейки. содержащей заполненный электролитом корпус с мембраной и двумя плоско- параллельными электродами, один из которых перфорированный,отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и 5 расширения динамического диапазона, в нем в пространство между электродами введен неэлектропроводный наполнитель. выполнен в виде отдельных объемносжимаемых частиц.2. Преобразователь по п,1, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что в нем объемносжимаемые частицы выполнены из материала с закрытопористой структурой и имеют сферическую форму одинакового радиуса,3. Преобразователь по пп,1 и 2, о т л и ч а ю щ и й с я 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 плоскопараллельных электродов, дегазации электролита и заполнения им межэлектродного пространства, и последующую герметизацию ячейки с. помощью установки мембраны, о т л и ч аю щ и й с я 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.1778579 Корректор И,Муска Редакто и ГКНТ СССР роизводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина,Заказ 4185 ВНИИПИ Госуд оставитель И.Леон ехред М.Моргентал Тиражтвенного комитета по изоб 113 О 35, Москва, Ж, Рау Подписноетениям и открыткая наб 4/5