3.9.Проектирование электретного датчика.
3.9.1.Расчет чувствительности емкостного микрофона
Вентиляционная функция легких (ВФЛ) — одна из важнейших в обеспечении газообмена в организме человека. Исходом любой хронической легочной патологии являются вентиляторные нарушения, которые на заключительных этапах проявляются в виде одышки, а на ранних этапах вызывают снижение функциональных показателей. В настоящее время существует тенденция к росту хронических заболеваний легких (хронический бронхит, астма и эмфизема легких), не связанных с профессиональной деятельностью.
В настоящее время актуальной является разработка методов исследования бронхиальной проходимости, в данной работе мы рассмотрели один, а именно метод трахеофонии.
Один из основных узлов устройства — акустический преобразователь. Высокую чувствительность в качестве ларингофонов показывают электретные микрофоны.. На основе полученных мембран был изготовлен макет электретного микрофона, который обладает необходимыми характеристиками высокой чувствительностью и помехозащищенностью. Разработка микрофона произведена совместно с Лабутиным А.В. Использование его для исследования вибраций позволяет определить интенсивность колебаний и осциллографировать их частотный спектр. Электретные преобразователи имеют следующие преимущества. Информативные параметры сигнала, регистрируемые прибором, лежат в диапазоне от 20 до 2000 Гц, то есть в диапазоне работы электретного микрофона. Датчик имеет малые вес и габариты, обладают хорошей чувствительностью, гладкой частотной характеристикой в требуемом диапазоне частот и имеет низкое напряжение питания, безопасное для человека. Принцип работы электретного микрофона не отличается от принципов работы конденсаторного микрофона. Если в обычном конденсаторном микрофоне заменить мембрану электретной пленкой, то она создает в зазоре мембрана—неподвижный электрод электрическое поле, сравнимое с полем внешнего напряжения, используемого в обычных конденсаторных микрофонах. В соответствии с изменнием зазора между электродами при движении электретной мембраны происходит изменение емкости преобразователя и на неподвижном электроде индуцируется переменный сигнал [24].
В случае гармонических колебаний величина переменного тока на выходе емкостного преобразователя может быть представлена следующим образом
. (2.5)
Здесь l — амплитуда смещения мембраны относительно нулевого положения, L — толщина пленки электрета, — диэлектрическая проницаемость материала пленки электрета, ? — частота колебаний подвижного электрода, ? — поверхностная плотность заряда электрета, S — площадь электрода, l — толщина диэлектрического зазора между электретной мембраной и неподвижным электродом, — диэлектрическая проницаемость материала в зазоре.
Для оценки чувствительности электретного микрофона может быть применена методика расчета конденсаторных микрофонов, в основе которой лежит принцип электромеханической аналогии. Чувствительность электретного микрофона в общем виде с учетом влияния цепи предварительного усилителя выражается следующей формулой
. (2.6)
Здесь — напряжение поляризации, S — площадь мембраны, ? — круговая частота, — модуль полного акустико–механического сопротивления капсюля, h — рабочий зазор между мембраной и электродом, D — поправка на влияние защитной крышки, G — коэффициент передачи предварительного усилителя, — фактор нагрузки, где — входная емкость предварительного усилителя, — емкость капсюля.
Абсолютное значение сопротивления Z и его зависимость от частоты будет определять чувствительность и форму частотной характеристики микрофона. Чувствительность микрофона частотно независима, если Z изменяется обратно пропорционально частоте во всем рабочем диапазоне, т. е. носит упругий характер. Это условие выполняется, когда резонансная частота акустико–механической системы микрофона лежит за пределами рабочего диапазона частот. Однако такая возможность ограничена пределом упругости материала мембраны. Поэтому практически мембране придается такое натяжение, при котором ее резонанстная частота располагается внутри частотного диапазона, а упругость увеличивается за счет воздушного слоя, создаваемого между мембраной и неподвижным электродом. Активное сопротивление этого слоя демпфирует колебания мембраны на резонансной частоте. При этом сопротивление и масса воздуха в отверстиях неподвижного электрода должны быть незначительными по сравнению с массой воздуха и сопротивлением в зазоре.
Обобщенная конструкция приемника звукового давления представлена на рис. 3.13.
Чувствительность микрофона представляющая собой передаточную функцию сигнального графа, определяется по общей формуле Мэзона (2.7)
где — коэффициент передачи прямого пути от истока сигнального графа к стоку; — коэффициент, учитывающий частотную и пространственную зависимости звукового давления; — коэффициент, учитывающий частотную зависимость звукового давления, обусловленную резонансными полостями перед мембраной микрофона; — сумма коэффициентов передач всех замкнутых контуров сигнального графа; — сумма попарно перемноженных коэффициентов передач замкнутых контуров,
Схематическая конструкция приемника звукового давления емкостного типа.
Рисунок 3.13.
не касающихся друг друга; — сумма перемноженных по трое коэффициентов передач замкнутых контуров, не касающихся друг друга.
Величина чувствительности в области средних частот будет
. (3.8)
Расшифровывая выражение в соответствии с известными значениями параметров для конденсаторного микрофона:
; ; ;.; ; ; ,
где d — диаметр активной части мембраны (или неподвижного электрода); — напряжение поляризации; h — высота зазора; — частота механического резонанса; L — толщина мембраны; — емкость активной части преобразователя; , — механические жесткость и масса подвижной системы; T — напряжение в материале мембраны; — плотность материала мембраны, и учитывая, что для малогабаритных приемников , получим
(2.9).
Форма амплитудно–частотной характеристики в области низких частот определяется режимом электрического согласования приемника звука с нагрузкой и влиянием каналов выравнивания статического давления внутри замкнутого объема приемника и в окружающем его пространстве. С уменьшением натяжения мембраны увеличивается чувствительность микрофона на низких частотах. Однако это приводит к понижению частот механического резонанса и, следовательно, к спаду чувствительности на высоких частотах. При неизменном поляризующем напряжении чувствительность микрофона на низких частотах растет с уменьшением расстояния между электродами. В то же время уменьшение величины зазора приводит к возрастанию активной составляющей сопротивления зазора и, следовательно, к большему спаду чувствительности в области средних частот. Повышение чувствительности микрофона за счет увеличения эффективной плотности заряда в мембране ограничено условием, согласно которому напряженность поля между мембраной и неподвижным электродом должна быть в несколько раз меньше пробивной величины, поэтому при выборе зазора приходится принимать компромиссное решение. На высоких частотах для повышения чувствительности микрофона уменьшают толщину мембраны. Однако с точки зрения стабильности заряда выбор электретных мембран с толщиной пленки менее 6 мкм не желателен. К тому же уменьшение толщины мембраны ограничено силой электростатического притяжения, эквивалентной некоторой “отрицательной упругости”. Если сила электростатического притяжения превысит упругую реакцию мембраны и воздушного объема под ней, тогда происходит прилипание мембраны к преобразователю.
Величина смещения мембраны в электростатическом поле выводится из уравнения движения мембраны и в отсутствие звукового поля может быть определена из равенства
. (2.10)
Здесь y — величина смещения мембраны, — гибкость мембраны, q — заряд на обкладках емкостного преобразователя.
При воздействии звукового поля величина гибкости подвижной системы определяется упругой реакцией воздушного зазора под мембраной, благодаря чему собственная частота механических колебаний сдвигается в область более низких частот и обеспечивается достаточная чувствительность в верхней части частотного диапазона.
2.9.2.Разработка конструкции датчика.
В соответствии с целевым назначением разрабатываемый электретный микрофон должен обеспечивать высокую чувствительность мВ×Па-1 в частотном диапазоне 20—2000 Гц при работе в режиме ненаправленного приемника звукового давления, малые габариты и вес, малую потребляемую мощность.
Учитывая изложенное выше выбираем следующие параметры капсюля. Диаметр мембраны и неподвижного электрода 12 мм, расстояние между мембраной и неподвижным электродом 30 мкм, толщина мембраны 10 мкм. Значение последнего параметра выбрано с учетом стабильности электретного заряда и упругости мембраны.
При создании конструкции корпуса микрофона пришлось решать инженерную задачу по созданию помехозащищенного датчика. Основные пути передачи помех к чувствительному элементу следующие:
– передача звука (переизлучение) непосредственно через стенку корпуса во внутреннюю полость датчика к чувствительному элементу;
– улавливание акустических помех поверхностью кабеля датчика с последующей передачей поверхностными волнами во внутреннюю полость датчика;
– улавливание звука поверхностью тела больного с последующим переизлучением.
Основными являются два первых способа передачи помех. По результатам исследований была разработана конструкция датчика с плотным обжатием кабеля в месте крепления в корпусе, причем корпус выполнен из материала со скоростью распространения колебаний в нем выше, чем в материале оболочки кабеля, а масса датчика выбирается из условия
, (2.11)
где m — масса датчика, k — упругость тканей человека, — нижняя граница рабочего диапазона частот.
В результате удалось снизить воспринимаемые датчиком посторонние звуковые помехи (шумы помещения). Также было принято решение делать датчик по типу стетоскопической головки, без применения фонендоскопической мембраны, поскольку мембрана вносит нелинейности, проявляющиеся в виде обертонов не имеющихся в исходном звуковом сигнале.
Конструкция электретного датчика показана на рисунке 13.
Для избежания механическим повреждений электретной мембраны со стороны акустического входа в корпусе (1) капсюля микрофона установлены защитная сетка (2) и металлическая решетка (3). Электретная мембрана (4) с неподвижным электродом, выполненным в виде металлизированного слоя на поверхности преобразователя (7), составляют динамический конденсатор, преобразующий звуковые колебания в электрические сигналы. Необходимая величина емкости задается величиной воздушного зазора (6) и подбирается установкой между электродами калибровочного диэлектрического кольца (5). В корпусе преобразователя имеется 28 сквозных отверстий диаметром 0,5 мм каждое, которые соединяют под мембранный объем с объемом преобразователя. Это позволяет увеличить объем воздуха под электретной мембраной, благодаря чему обеспечивается выравнивание частотной характеристики в рабочем диапазоне частот и повышается чувствительность микрофона. Для согласования высокого импеданса емкостного датчика с последующей схемой усиления в корпусе микрофона на печатной плате (8) устанавливается полевой транзистор КП308А (11), включенный по схеме с общим истоком. Полевой транзистор распаен на нижней стороне печатной платы (8). Электрический контакт металлизации на преобразователе с затвором транзистора осуществляется с помощью электрода 10. Жесткое закрепление электретной мембраны и фиксация зазора между электродами достигается ввинчиванием затяжной гайки (9) в корпус капсюля.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12
