книги из ГПНТБ / Римский-Корсаков А.В. Электро-акустика
.pdfчто скорости |
колебаний |
на т а к и х низких частотах, |
д а ж е при |
зна |
||||
чительных амплитудах, |
о к а з ы в а ю т с я |
м а л ы м и |
и регистрировать их |
|||||
без большого электрического усиления сигнала |
геофона |
невозмож |
||||||
но. П р я м о е |
усиление |
колебаний на |
частотах |
порядка |
долей |
гер |
||
ца — з а д а ч а |
т а к ж е |
весьма трудная . |
В связи |
с |
этим |
дл я таких |
низкочастотных устройств в электроакустике п р и м е н я ю т схемы, в
которых электроакустический |
преобразователь используется не |
как генератор, а как модулятор |
или параметрическое устройство. |
О д н и м из самых распространенных параметрических устройств в
электроакустических |
а п п а р а т а х |
является |
конденсаторный |
микро |
|||
фон, включаемый в качестве элемента |
колебательного |
контура |
|||||
высокочастотного генератора . |
|
|
|
||||
Одной |
из |
первых |
схем |
такого типа |
является схема |
Риггера, |
|
и з о б р а ж е |
н н а я |
на рис. 4.56. |
В |
л а м п о в о м |
генераторе резонансный |
|
|
|
г |
д |
|
|
|
|
х |
- к Г |
Вы1 |
|
|
|
Г |
X |
|
Рис. |
4.56. Схема |
вы |
|
|
|
сокочастотного |
пита |
Геофон |
|
|
|
ния |
емкостного |
при |
|
|
|
емщика смещения |
г и |
|
|
||
|
|
|
|
|
L T
контур в цепи |
сетки содержит кроме |
подстроечнои емкости еще |
||
и |
емкость, образованную о б к л а д к а м и |
емкостного |
п р е о б р а з о в а т е |
|
л я . |
О б к л а д к и |
п р е о б р а з о в а т е л я помещены на сейсмометрической |
||
механической |
системе: одна — на подвешенной массе, в т о р а я — |
|||
на |
основании |
сейсмометра. Изменение |
расстояния |
м е ж д у обклад |
ками в ы з ы в а е т изменение частоты, генерируемой |
л а м п о в ы м гене |
ратором . Вследствие малого изменения емкости по сравнению с
полной |
емкостью |
контура |
девиация |
частоты пропорциональна |
||||||
этому изменению |
емкости, а следовательно, и изменению расстоя |
|||||||||
ний |
м е ж д у |
о б к л а д к а м и : |
|
|
|
|
|
|||
|
А / « |
д/дС [2я / 1 С ] у 2 и |
Д С = — /„ Д С/С = /0x/2d, |
|
(4.139) |
|||||
где |
f0= |
(2пУ |
ЬС)~1 |
— частота |
генератора при неподвижных об |
|||||
|
к л а д к а х ; |
d— |
расстояние |
м е ж д у |
неподвижными |
о б к л а д к а м и ; |
||||
|
х — относительное смещение обкладок . |
|
|
|||||||
|
Д е л я |
равенство (4.131) |
на |
частоту |
регистрируемых |
колебаний |
||||
<а и п о д с т а в л я я в |
(4.139), получим |
|
|
|
||||||
| Д///0 | |
= |
| x/2d | |
= | v/(2d<o) |
I = ^ m ( 2 d ) - 1 [ ( l - f i ) o / © 2 ) 2 |
+ |
4a2 /<»2 ]1 / 2 , |
(4.140)
где xm — амплитуда регистрируемых колебаний, а а, в отличие от
201
(4.132), |
— это коэффициент затухания, вызванного механи |
|||
ческим |
д е м п ф и р о в а н и е м . |
|
|
|
П о д а в а я |
колебания |
от генератора к |
частотному |
дискримина |
тору, получим сигнал, |
пропорциональный |
девиации, |
т. е. и з м е р я е |
мому сигналу. Схемы усилителей высокой частоты достаточно про
сты и н а д е ж н ы и колебания генератора могут быть |
усилены |
д о |
необходимой величины, чтобы сигнал после дискриминатора |
был |
|
достаточно мощным д л я подачи на регистрирующий |
прибор. |
Н е |
достатком этой схемы является дрейф частоты генератора, обус
ловленный влиянием |
о к р у ж а ю щ е й |
температуры, |
колебанием |
пи |
т а ю щ и х н а п р я ж е н и й и т. п. Всякий |
уход частоты генератора |
п р е |
||
в р а щ а е т с я частотным дискриминатором в сигнал на выходе. |
|
|||
Устройство м о ж н о улучшить путем стабилизации средней ча |
||||
стоты генератора . Д л я |
этого, например, м о ж н о |
использовать |
схе |
му, которая измеряет отклонение частоты генератора от частоты высокостабильного генератора с кварцевым стабилизатором . Сиг
нал |
от схемы, сравнивающей частоты, через фильтр очень |
низ |
|||
ких |
частот |
подается на |
реактивную лампу, |
у п р а в л я ю щ у ю частотой |
|
генератора |
с емкостным |
п р е о б р а з о в а т е л е м . |
Если вследствие |
дрей |
фа генератора п о я в л я е т с я медленный уход частоты fo от частоты
кварцевого |
генератора, то |
медленно меняющийся ток на выходе |
|||||
схемы сравнения проходит |
через фильтр и, меняя режим |
реактив |
|||||
ной л а м п ы , |
приводит частоту fo обратно |
к необходимому |
среднему |
||||
значению. |
Б о л е е быстрые |
колебания |
частоты |
(Af), |
связанные с |
||
наличием регистрируемого |
колебания |
х, |
через |
фильтр |
не |
п р о х о д я т |
и п о п а д а ю т в цепь регистрирующего прибора . |
П о с т о я н н а я |
време |
||||||||||
ни цепи |
управления, |
состоящей |
из |
фильтра и |
реактивной |
лампы,, |
||||||
д о л ж н а быть, очевидно, в несколько раз больше, |
чем собственный |
|||||||||||
период |
сейсмометрической |
системы 2я/соо. В качестве схем, в ко |
||||||||||
торых |
применяется |
емкостный |
пераметрический |
преобразователь,, |
||||||||
могут |
применяться |
т а к ж е |
простые |
мостовые, |
д и ф ф е р е н ц и а л ь н ы е |
|||||||
мостовые |
и другие схемы, |
используемые д л я |
автоматического из |
|||||||||
мерения |
емкости. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
П а р а м е т р и ч е с к и е |
схемы |
включения емкостного |
преобразовате |
|||||||||
ля - приемника |
применяются |
т а к ж е и в конденсаторных |
микрофонах, |
|||||||||
звукового и инфразвукового |
диапазонов . |
|
|
|
|
|
||||||
4.17. О П Т И М И З А Ц И Я К О Н С Т Р У К Т И В Н Ы Х Р А З М Е Р О В |
|
|||||||||||
Э Л Е К Т Р О А К У С Т И Ч Е С К О Г О А П П А Р А Т А |
|
|
|
|||||||||
П р и |
р а з р а б о т к е конструкций |
электроакустических |
аппаратов- |
|||||||||
перед инженером и конструктором возникает |
з а д а ч а определения |
|||||||||||
ряда основных |
размеров а п п а р а т а . |
|
|
|
|
|
|
|||||
И з |
формул |
общей теории часто |
невозможно |
извлечь достаточ |
||||||||
но подробных рекомендаций по выбору размеров . В этом |
случае |
|||||||||||
могут оказаться полезными с о о б р а ж е н и я по |
оптимизации |
конст |
||||||||||
рукций путем выбора размеров, обеспечивающих |
м а к с и м а л ь н у ю |
|||||||||||
чувствительность, или кпд, |
или д и а п а з о н п е р е д а в а е м ы х |
частот п р и |
202
некоторых |
з а д а н н ы х |
условиях, |
н а л а г а е м ы х |
технологическими |
со |
||||||||||||||||||||
о б р а ж е н и я м и |
или |
сортаментом |
м а т е р и а л о в и т. п. |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||
|
Приведем д в а п р и м е р а такой оптимизации . |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
|
1. |
Рассмотрим |
ленточный |
электродинамический |
|
микрофон. |
|
||||||||||||||||||
|
Формула (4.51) позволяет рассчитать чувствительность лен |
||||||||||||||||||||||||
точного |
микрофона |
по |
известным |
р а з м е р а м |
ленточки, |
|
полюсных |
||||||||||||||||||
наконечников и д а н н ы х индукции в рабочем зазоре . |
Конструктору |
||||||||||||||||||||||||
предоставляется подбирать эти р а з м е р ы |
так, |
чтобы |
получить |
те |
|||||||||||||||||||||
или иные оптимальные |
соотношения. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
|
Обычно |
объем |
и |
магнитные |
свойства |
магнитопровода |
заданы, |
||||||||||||||||||
т а к как |
магнит |
определяет |
г а б а р и т ы |
микрофона . Г а б а р и т ы |
микро |
||||||||||||||||||||
фона, |
в |
свою |
очередь, |
з а д а н ы |
тем, |
что |
микрофон |
д о л ж е н |
быть |
||||||||||||||||
м а л по сравнению с длиной волны на верхней границе |
|
передавае |
|||||||||||||||||||||||
мого диапазона |
частот. О д н а к о |
этого |
недостаточно, |
чтобы |
опреде |
||||||||||||||||||||
л и т ь оптимальные размеры |
ленточки |
полюсных |
наконечников. |
И з |
|||||||||||||||||||||
ф-л (4.50), (4.52) и |
(4.68) |
видно, что |
при согласованной |
нагрузке |
|||||||||||||||||||||
чувствительность микрофона м о ж н о |
представить в |
виде: |
|
|
|
||||||||||||||||||||
|
Еп = 4 - bSM (тс,)-1 |
(RJR0)U2 |
К»(а)Кв |
(со) cos |
в, |
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||
tfu(co)=i[(l—a20/az)z+ |
|
|
(IQ^M^Roam)2]-^2 |
|
— |
коэффициент, |
опреде |
||||||||||||||||||
|
л я ю щ и й характеристику в области н и ж н и х частот; |
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||||
Ха(со) —{sin |
(cob cos 6/2со)](2с0 /соЬ) |
— |
то |
ж е , |
в |
области |
верхних |
||||||||||||||||||
|
частот. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ки^Кв&\. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
В |
средней |
части |
д и а п а з о н а |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
З а д а в а я с ь |
величиной |
частотных искажений |
на |
к р а я х рабочего |
||||||||||||||||||||
д и а п а з о н а |
частот, |
м о ж н о |
выбрать |
Ъ и <соо, т. е. периметр |
полюсных |
||||||||||||||||||||
б а ш м а к о в |
и |
н а т я ж е н и е |
ленточки |
при з а д а н н о й |
ее |
массе . |
О д н а к о |
||||||||||||||||||
остается |
неясным, |
на |
к а к о м основании |
следует в ы б и р а т ь |
массу |
||||||||||||||||||||
ленточки, ее длину |
и |
ширину, т а к |
к а к эти р а з м е р ы |
различным |
об |
||||||||||||||||||||
р а з о м |
входят в величины |
М, |
Ro, |
т, |
S. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
I ' |
Введем |
обозначения: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
— длина з а з о р а |
м е ж д у полюсными |
наконечниками; |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||||||||
I~УЛ' |
— п о л н а я |
д л и н а |
|
растянутой |
ленточки, |
к — |
коэффициент |
||||||||||||||||||
|
гофра; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
5 = al' |
— п л о щ а д ь |
з-азора, |
р а в н а я |
п л о щ а д и |
ленточки, |
на |
которую |
||||||||||||||||||
|
действует |
звуковое |
д а в л е н и е ; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
т — толщина |
ленточки; |
(Ъ/^роГ3; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
. т = т л |
+ т в = р л |
т Г и а - Ь |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
г |
— радиус |
эквивалентного |
поршня, |
д л я |
которого |
подсчитывается |
|||||||||||||||||||
|
сожолеблющаяся |
м а с с а воздуха . |
П л о щ а д ь |
эквивалентного |
|||||||||||||||||||||
|
поршня |
принимается |
равной |
п л о щ а д и |
ленточки |
г = |
( S / я ) 1 ' 2 ; |
||||||||||||||||||
P |
= b/v |
— периметр |
полюсного -башмака, пропорциональный |
|
волно |
||||||||||||||||||||
|
вому |
запозданию' |
Ь, |
v«*0,5 — к о э ф ф и ц и е н т |
пропорциональ |
||||||||||||||||||||
|
ности; |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
RO=8KI'(ах)-1 |
|
— электрическое |
сопротивление ленточки; |
|
|
|
|
||||||||||||||||||
о — удельное |
сопротивление |
м а т е р и а л а ленточки; |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||||
М |
= В1', |
В — м а г н и т н а я |
индукция в вазоре . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
203
С ч и т ая приближенно, что |
м а г н и т н а я |
индукция |
у |
поверхности |
|||||||||||||||||
полюсных б а ш м а к о в |
по |
всей |
их п л о щ а д и |
одинакова, |
н а й д е м |
энер |
|||||||||||||||
гию магнитного поля: Е=В2аР1'1 |
(8л). |
Учтем энергию |
рассеянного |
||||||||||||||||||
поля, введя коэффициент |
а > |
1. Тогда п о л н а я энергия п о л я составит: |
|||||||||||||||||||
Ф2/(8пР1') |
= |
а |
В*аР1'/(8я). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
Ее можно |
выразить |
т а к ж е |
через |
индукцию и |
р а з м а г н и ч и в а ю щ у ю |
||||||||||||||||
силу поля Ям, действующую в магнитной цепи |
микрофона |
на |
его |
||||||||||||||||||
магнит: E0=VBMHM!8n, |
|
где |
V |
— |
объем |
магнита, з а д а н н ы й |
|
по |
га |
||||||||||||
баритным |
условиям. |
Д л я к а ж д о г о |
магнитного |
м а т е р и а л а |
сущест |
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
вует вполне |
определенная |
зависимость |
Вм= |
|||||||||||||
|
|
|
|
|
=f(HM)- |
|
И з |
двух |
уравнений: |
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
4 . = |
/ (Я м ); |
У 5 м Я м / ( 8 я ) = |
« |
В»аР/'/(8я) |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
( 4 . 1 4 1 ) |
|
|
|
|
|
|
можно |
определить |
Вы |
и В, |
если |
|
учесть, |
что |
|||||||||
|
|
|
|
|
полный поток индукции через магнит |
( S M B M ) |
|||||||||||||||
|
|
|
|
|
равен полному потоку во внешнем |
поле: |
|
|
|||||||||||||
|
|
|
|
|
|
ф |
= |
B»SU |
= |
BPlVa. |
|
|
|
|
( 4 - 1 4 2 ) |
||||||
|
|
|
|
|
Н а |
рис. |
4 . 5 7 |
и з о б р а ж е н а |
зависимость бм=-= |
||||||||||||
|
|
|
|
|
= f(HM) |
д л я |
высококоэрцитивного |
магнитного |
|||||||||||||
Рис. 4.57. |
Зависи |
|
сплава . Вт — остаточная индукция |
в |
замкну |
||||||||||||||||
мость |
остаточной |
|
том магните, Но — коэрцитивная |
сила. Точка / |
|||||||||||||||||
'Индукции |
и |
энер |
|
на |
кривой |
е м |
= # м В м / ( 8 я ) |
соответствует |
мак |
||||||||||||
гии внешнего |
ноля |
|
симальной |
отдаче |
удельной энергии |
магнита |
|||||||||||||||
от размагничиваю |
|
во внешнее поле. Участок |
кривой |
от точки |
Вг |
||||||||||||||||
щего поля |
для вы |
|
|||||||||||||||||||
сококоэрцитивного |
|
до |
/ хорошо |
аппроксимируется |
|
зависимостью: |
|||||||||||||||
сплава |
|
|
|
|
|
Ни |
= 5 4 ( Л Б М 5 М / В 2 ) ( 1 - B J B , ) . |
|
|
( 4 . 1 4 3 ) |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
И з (4.141) |
и |
(4.143) |
н а й д е м : |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
BH=Br(l-yal'); |
|
|
y = PBir(5AneMV)-\SjPir. |
|
|
|
(4-144) |
||||||||||||||
Используя |
(4.144) |
и введенные |
в ы ш е |
обозначения, |
з а п и ш е м : |
|
|||||||||||||||
Еп0 |
= |
±bSM |
( m c ) - ' (RJR0)1'2 |
|
= |
А{1-ух)хш[т1/2 |
|
|
+ рДх/г)1 '2 ] , |
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(4.145) |
|
А = |
v РВХ/2 |
(2с0 р Р л Г 1 |
( а х 3 р Г ' / |
2 |
, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
р, = |
8 р 0 / ( 3 я 3 / 2 х р л ) , |
х = |
а/', |
|
P = |
SM /(Pr). |
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
В ы р а ж е н и е (4.145) |
имеет максимум по д в у м |
переменным, |
|
когда: |
|||||||||||||||||
al' |
— х„ |
( Б у Г 1 |
= 5 4 n 8 , , V | J » ( 5 p ^ W—і |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
[IX, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(4.146) |
204
E„oinax |
= 0,4р.1 / 2 |
( 5 Y ) 1 / 4 = 6,94- Ю - 9 V * - 1 ( а р Г , / 2 X |
|
|
x [ / ? H / p , p „ 6 C g ] 1 / 2 [ e M V B 2 P 3 ] 1 / 4 . |
(4.147) |
|
Рассмотрим |
теперь |
коэффициент /Сн (! ш). Д л я получения |
оптималь |
ной частотной характеристики принято в ы б и р а т ь вносимое зату
хание M2/R0 |
|
так, чтобы |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
( l O - 9 M 2 ) / ( 2 # o M o m ) = / 2 : |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(4.148) |
||||||||||||
Тогда Кп= |
(1 +ъ>У с о 4 ) - 1 ' 2 |
и резонансную частоту |
ленточки |
соо выби |
|||||||||||||||||||||
рают по величине допустимых искажений |
на границе |
диапазон а |
|||||||||||||||||||||||
Кп, |
а |
именно: •шо=-сон (А2 І —1)1 / 4 . Пр и |
помощи |
(4.145) |
и |
|
(4.148) |
и |
|||||||||||||||||
в ы р а ж е н и я |
дл я |
сопротивления |
|
ленточки |
|
Ro=5%l'/(ax) |
|
|
находим: |
||||||||||||||||
|
B = |
[ 1 0 * 2 5 / |
V 6 p , c o 0 ] , / 2 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(4-149) |
|
||||||||
Наконец, |
з а д а в а я с ь |
Кв(т), |
при 0 = 0 м о ж н о |
найти P = |
b/v. |
|
|
|
|
||||||||||||||||
Теперь |
из |
(4.142) |
|
и |
(4.149): |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
= |
Pl',SM |
|
= В и |
/ ( В / а |
) = |
±В,[ |
|
2 5 |
/ 2 1 0 » а 6 х 2 Р л |
с о в ( ^ 7 2 |
- 1 ) 1 |
/ 4 Г 1 |
/ 2 . |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(4.150) |
||
Зависимости |
(4.145), (4.146), |
(4.149), |
(4.150) |
представляю т |
собой |
||||||||||||||||||||
сводку |
расчетных |
формул, п о з в о л я ю щ и х по |
з а д а н н ы м |
величинам |
|||||||||||||||||||||
Р, Кн, |
е м , Вт, |
V, |
Rib |
KB, '/Ш /В И коэффициентам |
к, |
v, |
а определить |
||||||||||||||||||
основные |
|
конструктивные |
р а з м е р ы |
м и к р о ф о н а . |
Д л я |
|
/ С В = К Н = |
||||||||||||||||||
= 0,5 (—6 д Б ) , / „ = 3 0 Гц, / в = Ю 0 0 0 |
Гц, Я н |
= 6 0 0 О м , |
х = 0 , 7 , |
а = 2 , |
|||||||||||||||||||||
v = 0,5, |
|
К = 5 0 е м 3 |
, |
В г = 7000 Ге, |
находим : |
В = 4700 Гц, |
6=1,19, |
||||||||||||||||||
Р=4 |
см, a f = l , 4 5 |
см 2 , т = 1 , 8 3 |
мкм |
(для алюминиевой |
ленточки), |
||||||||||||||||||||
£ о п m a * == 1,27 |
М В / Н / М 2 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
2. Рассмотрим оптимизацию размеров электроакустического |
ап |
||||||||||||||||||||||||
п а р а т а — диффузорного |
громкоговорителя . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||||
Используя общий прием |
отыскания к п д преобразователя, |
мож |
|||||||||||||||||||||||
но получить |
известную формулу дл я определения к п д |
диффузор |
|||||||||||||||||||||||
ного |
громкоговорителя: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||
|
т| = [1 - f - ( 1 0 9 Q c 0 6 m 2 ) / p 0 & V 5 2 ) Г ' , |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
где |
Q — телесный |
угол, в который излучает (громкоговоритель; |
при |
||||||||||||||||||||||
|
помещении его в ящи к |
0 = 4я, при работе |
в |
э к р а н е — й = 2я; |
|||||||||||||||||||||
|
tn — п о л н а я |
масса |
подвижной |
|
системы, |
которая |
состоит |
и з |
|||||||||||||||||
|
массы излучателя с ооколеблющейся массой воздуха, массы |
||||||||||||||||||||||||
|
каркаса подвижной катушки и массы |
провода к а т у ш к и ; |
S — |
||||||||||||||||||||||
|
п л о щ а д ь и з л у ч а ю щ е й |
поверхности; |
V — объе м |
провода |
|
к а |
|||||||||||||||||||
|
тушки; |
б — удельное сопротивление |
провода |
катушки; |
Со, ро — |
||||||||||||||||||||
|
скорость звука и плотность воздуха; |
В — индукция |
в |
зазоре . |
|||||||||||||||||||||
Кпд |
максимален, |
когда |
м а к с и м а л ь н а |
величина: |
|
(р<>В2 У52 )/(109 ЙХ |
|||||||||||||||||||
Xco6vn2 ). П л о щ а д ь |
излучающей |
поверхности |
з а д а н а , |
та к |
как |
диа |
|||||||||||||||||||
метр д и ф ф у з о р а |
не д о л ж е н б ы т ь |
велик по сравнению |
с длиной |
вол |
|||||||||||||||||||||
ны. |
Таким |
образом, конструктор м о ж е т |
в а р ь и р о в а т ь |
параметры , |
|||||||||||||||||||||
входящие в величину |
B2Vm-2d~l. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
205
Пусть m = tni + mh — сумма масс провода к а т у ш к и (mh) и ос тальной части подвижной системы с присоединенной массой воз
духа. М о ж н о |
записать |
т / ( = рУ, |
(р — плотность |
материала |
провод |
|||||||||||
н и к а ) , |
тогда: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
BW |
щ-2 |
б - 1 |
= (52 /рб) тк |
{тк |
+ |
тг)~2 . |
|
|
|
|
|
(4-151) |
|||
Если конструктор имеет возможность каким - то |
путем |
в ы д е р ж а т ь |
||||||||||||||
заданное |
значение индукции в |
зазоре В независимо от конфигура |
||||||||||||||
ции |
подвижной |
системы, то |
максимум |
(4.151) получится |
при |
|||||||||||
mh=mi. |
Если з а д а н о |
значение |
магнитной энергии в з а з о р е — |
В2Уз, |
||||||||||||
то условия оптимума |
будут другие. Так к а к |
зазор п о |
необходимости |
|||||||||||||
несколько |
шире, чем |
катушка, то м о ж н о написать * ) : |
|
|
|
|
||||||||||
Щг |
V3 |
= |
V(l |
+ 2хЮ К, |
V = |
я |
dht, |
|
|
|
|
|
|
|
||
х — зазор |
м е ж д у |
обмоткой |
и краем зазора |
в .магнитной |
цепи; |
t — |
||||||||||
|
ширина |
обмотки |
катушки; |
d — средний |
д и а м е т р |
обмотки; |
||||||||||
|
h — высота |
зазора |
магнитной |
цепи; К — коэффициент, |
учиты |
|||||||||||
|
вающий |
заполнение проводом полезного пространства |
зазора . |
|||||||||||||
Тогда вместо |
(4.151) |
получим: |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
BlV |
т~2 |
б - 1 |
= (В%) (б Ш І Г 1 (1 + я d р htlmy)'2 |
(1 + |
2xlt)~l . |
|
Теперь максимум будет зависеть от величины з а з о р а т:
tmax = 0,5т |
1— 4mi/(ndAtp) — 1] . |
Наконец, конструктору может быть з а д а н объем магнита и маг нитная характеристика м а т е р и а л а . Тогда аналогично тому, как это было показано в п р е д ы д у щ е м примере, можно написать:
В % = В ^ з с Г 1 |
[1 |
-ВУ3!(ЬЩЧ,УМ)Г. |
|
|
|||
Теперь вместо (4.151) получим: |
|
|
|
||||
B2rndht[l—yndh(t+ |
х)]2{а&тх)~1 |
[1 + n d p W / m x r 2 . |
|
||||
Анализ |
этого |
в ы р а ж е н и я показывает, |
что п л о щ а д ь |
боковой |
поверх |
||
ности з а з о р а |
будет о п т и м а л ь н а я при условии яс?Л = |
г - 1 ( 3 / У м + і р / т і ) _ 1 . |
|||||
Если ж е |
конструктору з а д а н а |
б о к о в а я поверхность зазора, |
то опти |
||||
м а л ь н а я |
ширина его |
будет: |
|
|
|
|
|
t » |
т (яр dh)~\ |
[1 —9rml(p |
Vu)) + х [ б / п ^ р V J — 1]. |
|
Таким |
образом, видно, что оптимизация электроакустического ап |
п а р а т а |
может быть осуществлена различными путями . Д л я реше |
ния этой задачи м о ж е т оказаться необходимым учитывать техно
логические возможности, сортаменты |
м а т е р и а л о в и в зависимости |
от этого выбирать тот или иной путь |
оптимизации . |
) Для простоты полагаем, что высота обмотки совпадает с высотой зазора.
Глава 5
Необратимые преобразователи
|
5.1. |
В В Е Д Е Н И Е |
|
|
|
|
|
|
Н е о б р а т и м ы е |
преобразователи - излучатели |
|||
представляют |
собой |
довольно широкий « л а с е устройств, |
объеди |
|||
няемых тем, что в них используется модуляция потока |
газа |
или |
||||
жидкости . В этот класс не |
входят т а к и е источники звука, |
как |
им |
|||
пульсные взрывные, .механические поршневые с кривошипным |
при |
|||||
водом и р а б о т а ю щ и е н а |
принципе двигателя внутреннего сгора |
|||||
ния, в которых звук создается периодическим выхлопом |
г а з а |
или |
||||
возвратно - поступательным |
д в и ж е н и е м |
поршня . Эти устройства |
то-> |
|||
ж е находят |
применение в |
измерительной акустической |
п р а к т и к е |
и в некоторых технологических процессах, однако мы ограничимся лишь упоминанием о них.
Н е о б р а т и м ы е преобразователи - приемники, или, иначе, п а р а м е т рические приемники, широко используются при измерении м е х а н и
ческих перемещений, |
скоростей, ускорений, а т а к ж е |
усилий и |
на |
||||
п р я ж е н и й к а к статических, так |
и динамических. В параметрических |
||||||
приемниках (или, как |
их |
часто |
называют, «датчиках») и з м е р я е м а я |
||||
величина преобразуется |
в изменение |
п а р а м е т р а электрической |
це |
||||
пи: сопротивления, индуктивности |
или |
емкости. |
|
|
|||
П а р а м е т р и ч е с к и е |
необратимые |
п р е о б р а з о в а т е л и |
используются |
||||
т а к ж е и как приемники |
акустического давления . К |
н и м относятся |
угольный и пьезорезистивный полупроводниковые микрофоны . Кон денсаторный микрофон, включаемый как изменяющееся сопротив
ление в цепь переменного тока, |
т а к ж е относится к необратимым |
параметрическим приемникам . |
|
5.2. П Н Е В М О А К У С Т И Ч Е С К И Е |
И З Л У Ч А Т Е Л И |
Об щ и е с в е д е н и я
Мо щ н ы е излучатели звука применяются д л я сигнализации и
передачи к о м а н д |
на |
значительные расстояния, а т а к ж е |
в некото |
|
рых технологических |
процессах (осаждение пыли, ускорение |
про |
||
цессов сушки, интенсификация горения) . Необходимые |
д л я |
этой |
||
цели акустические |
мощности достигают сотен и тысяч |
ватт . |
При - |
207
менение |
д л я |
этих |
излучателей |
обратимых |
электроакустических |
|||||
преобразователей оказывается нерентабельным, т а к |
как они д о л ж |
|||||||||
ны питаться |
от |
дорогостоящих |
п сложных |
мощных |
генераторов |
|||||
звуковых |
частот, |
а |
при конструировании |
самих преобразователей |
||||||
приходится считаться с очень большими быстропеременными |
меха |
|||||||||
ническими напряжениями и тепловыми нагрузками, |
возникающими |
|||||||||
в их п о д з и ж н ы х |
системах. |
|
|
|
|
|
|
|||
В большинстве случаев при сигнализации или |
в |
технологиче |
||||||||
ских процессах |
может быть использован |
монохроматический |
сиг |
нал. Получить мощный звук одной какой-либо частоты гораздо проще при помощи хорошо известной .пневматической сирены . В этом устройстве поток воздуха, вытекающий в атмосферу из бал
лона |
со |
с ж а т ы м воздухом, |
периодически модулируется |
вентилем. |
||||||
На |
этом |
принципе был |
осуществлен источник звука д л я л а б о р а |
|||||||
торных |
|
измерительных |
целей |
Гельмгольцем |
(так н а з ы в а е м а я |
си |
||||
рена |
Г е л ь м г о л ь ц а ) . |
В этом |
устройстве диск с отверстиями, регу |
|||||||
лярно |
расположенными |
по |
его |
окружности, |
равномерно |
в р а щ а е т с я |
||||
перед |
срезом сопла, |
из |
которого вытекает струя воздуха . Отвер |
|||||||
стия |
диска, проходя |
перед |
соплом, периодически о т к р ы в а ю т и |
за |
крывают доступ воздуха в атмосферу с частотой, равной произве дению числа оборотов диска в секунду на число отверстий на его окружности . Этим создается переменная объемная скорость около
сопла, т. е. источник |
звука . |
|
|
В современных |
пневмоакустических |
излучателях |
применяются |
модуляторы различных конструкций, о |
которых будет |
с к а з а н о ни |
ж е . Все они осуществляют модуляцию потока воздуха путем пе
риодического |
изменения проходного |
сечения |
вентиля того или |
ино |
|||||||||
го вида . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
М о д у л я ц ия потока воздуха |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Рассмотрим |
схему рис. 5.1. И з |
резервуара |
большого |
о б ъ е м а |
|||||||||
через патрубок с заслонкой воздух поступает в излучающий |
рупор. |
||||||||||||
З а с л о н к а при |
п о м о щ и какого - либо механизма изменяет |
|
проходное |
||||||||||
|
|
|
оечение патрубка |
|
по |
закону |
|
|
|
|
|||
|
|
|
S = |
S0 -f- Sm |
cos ш t. |
|
|
|
|
(5.1) |
|||
|
|
|
Д л я протекающей |
по патрубку струи |
|||||||||
|
|
|
газа, пренебрегая |
его |
с ж и м а е м о с т ь ю , |
||||||||
|
|
|
м о ж н о записать |
уравнение |
сил |
в |
виде |
||||||
Рлс. 6.1. Схема модуляции воз- |
' |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
душного потока |
колеблющимся |
Г р dv/dtdx |
= |
р |
I V2— |
^?)/2 |
|
|
Ро |
—-Pi, |
|||
вентилем |
|
|
О |
|
|
|
\ |
Р |
'/ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(5.2) |
|
где v — скорость г а з а в струйке н а пути в вентиле; |
|
|
|
|
|||||||||
|
|
|
|
|
|||||||||
I—-длина |
пути газа |
в вентиле; |
vp, |
Рй— |
|
скорость |
и |
давление |
|||||
в газе, п о д т е к а ю щ е м |
к вентилю; v\, Pi — то |
ж е , д л я |
газа, |
вы |
|||||||||
текающего |
из вентиля . |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
208
У р а в н е н ие (5.2) о т р а ж а е т тот факт, что г а з ускоряется в вентиле под действием разности полных гидродинамических напоров по обе
стороны |
|
рассматриваемого |
участка . Т а к |
как |
в |
резервуаре газ |
по |
|||||||||||||
коится, |
то Рр = 0. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
З а вентилем имеется |
лишь |
короткий |
патрубок, |
и |
в |
предельном |
|||||||||||||
случае |
отсутствия н а г р у з к и |
|
со |
стороны |
рупора |
Pi |
— |
атмосферное |
||||||||||||
давление, |
а скорость в п а т р у б к е по |
воей |
его |
д л и н е |
одинакова, |
так |
||||||||||||||
как |
с ж и м а е м о с т ь ю |
газа |
на |
|
малой |
длине / |
пренебрегли. |
Тогда |
||||||||||||
(5.1) принимает вид: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
р Idvjdt |
- f р v\\2 |
= АР, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(5.3) |
|||
где |
АР |
— разность |
давлений |
м е ж д у |
резервуаром |
и |
|
атмосферой. |
||||||||||||
|
Если вентиль внезапно открыть, то |
накопившийся |
в |
патрубке |
||||||||||||||||
газ |
будет |
разгоняться по |
закону: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
о, = |
v0 th {v0t/2l)}; |
v0 = |
|
(2A Pip)112 . |
|
|
|
|
|
|
|
|
(5-4) |
||||||
|
Справедливость |
этого |
решения |
проверяется |
подстановкой |
его |
||||||||||||||
в (5.3). Кроме того, |
оно |
удовлетворяет |
начальному условию |
|
Vi=0 |
|||||||||||||||
при |
1 = 0. |
Это |
соответствует |
тому, что |
в |
момент |
открытия |
заслонки |
||||||||||||
газ |
покоится. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Д а ж е |
при |
очень |
небольшой |
разности |
давлений |
( А Р < 0 , 0 1 |
атм) |
|||||||||||||
v0 достигает десятков метров |
в секунду, т а к что |
на |
длине |
патрубка |
||||||||||||||||
вентиля, с к а ж е м , в 10 м м |
постоянная |
2l/v0 |
составит Ю - 4 с. |
|
|
|
||||||||||||||
|
П р и |
больших разностях |
давлений |
в л и я н и е |
инерции |
частиц |
на |
линейную скорость в вентиле будет еще меньше. Главными сопро
тивлениями, |
которые д о л ж н о преодолевать |
д а в л е н и е газа в |
бал |
лоне, будут |
динамический напор и сопротивления излучения |
звука |
|
в рупоре и в резервуаре . П р и периодическом |
синусоидальном |
изме |
нении сечения щели S вентиля со стороны резервуара на вентиль 'будет действовать не полное давление, а уменьшенное на величину
акустической реакции g0 ^об, где |
Jo — акустическое |
сопротивление |
излучения волн в резервуар, a |
V0e—переменная |
с о с т а в л я ю щ а я |
объемной скорости воздуха, вытекающего из баллона . Аналогично
этому |
со стороны рупора |
у вентиля будет |
давление, |
увеличенное |
|||||||||
на V 0 6 gp по |
сравнению |
с |
атмосферным, |
где |
j p — акустическое |
со |
|||||||
противление |
рупора. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Если в районе вентиля |
по - прежнему |
будем |
считать |
воздух |
не |
||||||||
с ж и м а е м ы м , |
а |
разность |
давлений |
м е ж д у резервуаром |
и |
атмосфе |
|||||||
рой небольшой, |
т а к что |
разность |
средних |
плотностей |
г а з а |
в |
ре |
||||||
зервуаре и в рупоре можно не учитывать, то, пренебрегая |
инерцией |
||||||||||||
газа в |
вентиле и в в о д я акустические реакции резервуара |
и рупора, |
|||||||||||
вместо |
(5.2) получим |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
Р * ? / 2 = ( Р 0 - 5 о П б ) - ( ^ + Л ) . |
|
|
|
|
|
|
<5 -5 > |
||||||
Д л я |
определения Уоб следует связать |
vi и |
У0 б с законом |
моду |
|||||||||
ляции |
и м е ж д у |
собой е щ е |
одним |
соотношением. Так |
к а к в |
(5.5) |
|||||||
пренебрежено |
изменением |
средней |
плотности |
т а з а , то |
объемную |
209
скорость газа в устройстве как перед модулятором, так и в горле рупора можно считать одинаковой.
В первом приближени и линейная окорость т а з а мало |
изменяется |
||||||||||
по сравнению |
с ~о0= ( 2 Д Р / р ) 1 / 2 и можно п о л о ж и т ь : |
|
|||||||||
vi |
= v0 |
+ |
vmcos{®t4-q>); |
a m « « 0 . |
|
|
|
(5.6) |
|||
Тогда |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
v] |
ttv20-\-2v0vm |
cos (a>t+ |
<p). |
|
|
|
|
(5.7) |
|||
Объемную |
окорость получим умножением |
(5.1) |
на (5.6): |
|
|||||||
^ 0 6 = |
(5 о + Sm |
cos со t) [v0 |
+ vm cos |
(и t + |
ф).] |
« |
|
||||
|
ж S0v0 |
+ SmvQ |
cos со t + 5 0 y m |
cos |
(со / + |
ф). |
|
(5.8) |
|||
Здесь |
член |
u m 5 m |
cos co^cos (соі+ф) |
отброшен |
с целью |
линеаризи |
|||||
ровать |
и упростить |
задачу . |
Бели |
модуляция |
сечения |
не велика , |
т. е. Sm<^S0, |
|
то |
|
точность |
в ы р а ж е н и я |
(5.8) не |
хуже, |
чем (5.7). Под |
||||||||||
ставив (5.7) и (5.8) в (5.5), получим возможность |
определить |
Vos |
||||||||||||||||
через постоянную с о с т а в л я ю щ у ю линейной скорости |
v0 |
и ампли |
||||||||||||||||
туду |
модуляции |
сечения |
|
Sm. |
В о б щ е м 'случае |
go |
и з Р |
имеют |
к а к |
|||||||||
активную, т а к и реактивную |
составляющие . |
|
|
|
|
|
|
|||||||||||
Обозначим |
g o + 8 р = |
5 exp {iip} |
и |
запишем после |
подстановок |
|||||||||||||
(5.7) |
и (5.8) |
переменную |
часть линеаризованного |
равенства |
(5.5) |
|||||||||||||
в комплексной |
форме: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
Р vavn |
ехр {i(co t + |
ф)} = |
— § [Smv0 |
ехр {і ар} + |
S0vm |
ехр {і ф}]ехр (і со t). |
|||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(5.9) |
Тогда, |
р а з д е л я я вещественную |
и |
мнимую |
части |
(5.9), |
получим |
||||||||||||
д в а |
уравнения д л я определения ф и Vm, из которых |
легко |
получить: |
|||||||||||||||
|
Vm = |
— S m V 0 |
3/А |
COS ф = |
(р t>„ cos ip-f-go |
So)/А |
|
|
|
(5.10) |
||||||||
|
IV0 6 1 = |
vl p SJA, |
A* = |
p2 Vі+23 |
|
S„ p v0 |
cos гр + Ь |
S2 |
|
|||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||||
П о л н а я пневматическая |
мощность, |
|
п р о т е к а ю щ а я |
через |
клапан, в |
|||||||||||||
принятом приближении, |
составит |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
Л™ = |
S0V0 (Po~Pi) |
= |
S0 |
р og/2. |
|
|
|
|
|
|
|
(5.11) |
|||||
П о л н а я акустическая |
мощность |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
Л к = |
I ^ о б Г і cos яр = |
( «о Р2 S2m Ь |
cos op ) / А 2 . |
|
|
|
|
(5.12) |
|||||||||
Пнев'моакустический |
кпд найдем, поделив (5.12) |
на |
(5.11): |
|
||||||||||||||
|
Л = (SjSo) |
|
(2р u 0 S m |
J cos яр)/Л2 . |
|
|
|
|
|
|
|
(5.13) |
||||||
Найденный |
таким о б р а з о м к п д м а к с и м а л е н |
при |
условии |
pVo=%So: |
||||||||||||||
|
•Цтах = |
(SjS0f |
COS Яр (COS Яр + |
|
1)~1 . |
|
|
|
|
|
|
|
Е'Сли реактивные сопротивления компенсированы, а критическая частота рупора н и ж е излучаемой, т а к что активную часть акусти ческого сопротивления можно принять равной рс/Sn, то из условия
210