Содержание к диссертации
Введение
1 Термофон. 10
1.1 Устройство классического термофона 10
1.2 Способы возбуждения термофонов 14
1.3 Расчёт амплитуды переменной температуры поверхности проводника при протекании по нему электрического тока 16
1.4 Излучение звука поверхностью проводника, температура которого изменяется по гармоническому закону 20
1.5 Термоакустический эффект 23
2 Исследования влияния физических параметров металлов и газов на излучение звука активным элементом термофона 27
2.1 Выбор вещества для изготовления активных элементов термофонов 27
2.2 Выбор газа, обеспечивающего повышение акустической эффективности термофона 30
2.3 Расчёт стационарной температуры поверхности активного элемента 32
2.4 Оценка параметров системы при изменении её стационарной температуры 34
3 Новая конструкция термофона 40
3.1 Устройство и работа плёночного термофона 40
3.2 Схемы тепловых расчётов термофонов 44
3.3 Расчёт амплитуды переменной температуры плоского активного элемента термофона 47
3.4 Расчёт амплитуды переменной температуры поверхности активного элемента, изготовленного из проволоки 56
3.5 Выбор материалов для изготовления подложки 59
3.6 Несущая пластина термофона 63
4 Излучение звука термофоном 67
4.1 Колебания поверхности твёрдого тела при воздействии на него переменной температуры 67
4.2 Расчёт акустических параметров на центральной оси термофона 70
4.3 Дальнее акустическое поле термофона. Характеристика направленности 74
4.4 Излучение звука проволочным термофоном 76
5 Экспериментальные исследования процессов излучения звука термофонами 84
5.1 Описание объектов исследования 84
5.2 Установка для измерений амплитуды звукового давления, создаваемого термофоном 89
5.3 Результаты исследований плёночных термофонов
5.3.1 Измерения амплитудных характеристик термофонов как метод уточнения их теплофизических параметров 93
5.3.2 Амплитудно-частотные характеристики плёночных термофонов 99
5.3.3 Характеристики направленности плёночных термофонов 104
5.3.4 Исследования тепловых режимов работы плёночных термофонов
5.4 Исследования проволочных термофонов 110
5.5 Применение проволочных термофонов для исследований акустических параметров прямых труб 115
Заключение 121
Список использованных источников 123
- Способы возбуждения термофонов
- Выбор газа, обеспечивающего повышение акустической эффективности термофона
- Расчёт амплитуды переменной температуры поверхности активного элемента, изготовленного из проволоки
- Расчёт акустических параметров на центральной оси термофона
Введение к работе
Актуальность. Источники звука, работающие на различных физических принципах, широко применяются при проведении научно-исследовательских работ и при создании технических устройств различного назначения. Одним из видов излучателей звуковых волн являются термофоны, в основу работы которых положен термоакустический эффект. По общей классификации термофоны нужно отнести к широкополосным нерезонансным источникам звука. В 20…40-е годы прошлого века термофоны применялись в качестве первичных источников звука при калибровке измерительных микрофонов.
Благодаря А. Беранеку [1] нам известно, что первые экспериментальные исследования термоакустического эффекта были проведены русским инженером И. Гвоздевым в 1907 году. Первая попытка создания методики расчёта акустических параметров термофона была предпринята в 1917 году Х.Д. Арнольдом и И.Б. Крендаллом [2]. Теоретические и экспериментальные исследования процесса излучения звука термофоном, помещённым в малый замкнутый объём газа, были проведены в 1922 году Э.К. Вентом [3]. Наиболее полное физическое описание термоакустического эффекта можно найти в книге Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшица [4].
Основными недостатками классических термофонов являются их малые механическая прочность и акустическая эффективность. К середине прошлого века физические и технические возможности повышения акустической эффективность этих термофонов были исчерпаны. В качестве первичных источников звука стали применять излучатели, работающие на пьезоэлектрическом эффекте. В последующие годы термофоны применялись только при проведении НИР, так как их можно изготовить в условиях любой научно-исследовательской лаборатории.
Одним из способов увеличения акустической эффективности термофонов является уменьшение толщины их активных элементов (АЭ). В конце прошлого века появились технологические возможности изготовления тонких однородных электрических проводников (фольга, проволока) из высокоомных металлов и сплавов. Также проводники имеют достаточную механическую прочность и могут быть использованы для формирования АЭ термофонов. На этом основании можно утверждать, что термофоны вновь могут быть использованы для решения различных задач физической и технической акустики.
В последние десятилетия были разработаны и освоены приборостроительной промышленностью различные технологии, позволяющие создавать на поверхностях твёрдых тел очень тонкие (толщины 10…100 нм) электропроводящие слои. Такие плёнки могут быть изготовлены не только из металлов и металлических сплавов, но и из других веществ, имеющих высокое удельное электрическое сопротивление. Это позволяет сформировать на поверхности твёрдого тела АЭ плёночного термофона. Конструкция плёночного термофона и некоторые особенности его работы впервые были описаны в статье [5].
Анализ литературы, в которой исследуются классические термофоны, показывает, что
выражения, используемые для расчёта основных параметров термофонов, требуют
уточнения. Методики расчёта акустических параметров плёночных термофонов отсутствуют.
Попытки применения для этой цели формул, полученных для классических термофонов, физически не обоснованы. Это обусловлено тем, что термодинамические условия, при которых происходит генерация звуковых волн классическими и плёночными термофонами, не является идентичными. Методика определения основных термодинамических параметров термофонов также требует уточнения. Эти вопросы являются предметом теоретических и экспериментальных исследований и определяют актуальность данной работы.
Цель работы. На основе экспериментальных и теоретических исследований определить закономерности физических процессов, протекающих в классических и плёночных термофонах при излучении ими звуковых волн, разработать методики расчётов тепловых и акустических параметров термофонов.
Задачи исследования: Методические:
обосновать возможность и определить условия применения стандартной методики измерений параметров источников звука для исследования акустических характеристик термофонов;
разработать методику измерений параметров стационарных температурных полей поверхностей АЭ возбуждённых термофонов;
обосновать метод, позволяющий по результатам прямых измерений амплитудных характеристик термофонов, проводить оценку теплофизических параметров пластин, на поверхностях которых сформированы АЭ.
Теоретические:
провести анализ тепловых процессов, протекающих в возбуждённых термофонах, и оценить их влияние на акустическую эффективность термофонов;
исследовать влияние термоакустических процессов, происходящих в газах и твёрдых телах, на процесс излучения звуковых волн;
разработать обобщённую физическую модель термофона, на базе которой создать методики расчётов акустических и термодинамических параметров термофонов, имеющих различное конструктивное исполнение.
Экспериментальные:
разработать, изготовить и подготовить к проведению экспериментальных исследований образцы термофонов, имеющих различное конструктивное исполнение;
провести измерения температурных напоров, возникающих на поверхностях АЭ, возбуждённых термофонов;
провести в заглушённой камере измерения амплитудных и амплитудно-частотных характеристик, а также характеристик направленности исследуемых термофонов;
экспериментально определить значения основных теплофизических параметров несущих пластин, изготовленных из различных материалов;
проанализировать результаты экспериментальных исследований акустических параметров термофонов и сопоставить их с разработанными в работе расчётными методиками.
Методы исследований. При решении поставленных в работе задач использовались: теория термоакустического эффекта, теория излучения звука, теория теплопроводности, а также современные методы проведения акустических измерений. Для обработки результатов измерений применялись специализированные компьютерные комплексы и программы.
Научная новизна. В диссертации впервые проведены комплексные теоретические и экспериментальные исследования процессов излучения звуковых волн термофонами. При этом показано, что в плёночных термофонах существует дополнительный механизм излучения звука, связанный с эффектом возбуждения механических колебаний поверхности твёрдого тела, на которой происходят периодические изменения температуры.
Применение теории теплопроводности позволило получить точное выражение для расчёта амплитуды переменной температуры поверхности проводящего слоя, по веществу которого течёт переменный электрический ток. Определены условия применимости этого выражения.
Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена методика измерений теплофизических параметров вещества тонких пластин, непосредственно влияющих на акустическую эффективность термофонов. Эта методика основана на пересчёте результатов прямых акустических измерений амплитудных характеристик специальных образцов, подготовленных по технологии изготовления плёночных термофонов.
Практическая ценность. Большинство результатов работы относится к исследованиям процессов излучения звуковых волн термоакустическими источниками звука – термофонами. В диссертации установлены основные направления практического использования термоакустических источников звука в физической и технической акустике.
Практическая ценность диссертационной работы заключается в том, что её результаты могут быть использованы при подготовке промышленного производства плёночных термофонов. Эти результаты позволяют на ранних стадиях проектирования плёночных термофонов получить достоверную оценку их акустических параметров. Кроме того, разработанные в диссертации критерии позволяют выбрать материалы для изготовления АЭ и несущих пластин термофонов, обеспечивающие их наибольшую акустическую эффективность.
Предложенная в работе методика позволяет экспериментально уточнить значения коэффициентов теплопроводности тонких листовых материалов, которые широко используются при производстве электронной аппаратуры.
Работа выполнялась в соответствии с планом НИР кафедры физики СПбГМТУ. Полученные в работе теоретические и экспериментальные результаты используются в учебном процессе в курсе «Физическая акустика» и дисциплине «Акустические измерения», которые изучаются студентами, проходящими подготовку по магистерской программе 03.04.02.01 – Физическая и техническая акустика.
Основные положения выносимые на защиту:
1. Обобщённая физическая модель термоакустических источников звука, на базе которой с единых позиций рассчитываются тепловые и акустические параметры классических и плёночных термофонов.
-
Расчёт амплитуды переменной температуры поверхности АЭ возбуждённого термофона.
-
Явление возбуждения механических колебаний поверхности твёрдого тела, температура которой изменяется по гармоническому закону.
-
Акустический метод измерения коэффициентов теплопроводности тонких пластин.
Достоверность результатов подтверждается использованием в ходе работы апробированных и хорошо зарекомендовавших себя на практике теории термоакустического эффекта, теории излучения звука, теории теплопроводности. Применением надёжных методов акустических измерений, результаты которых имеют хорошее согласие с теорией. Использованием современной измерительной аппаратуры и применением надёжных компьютерных методов обработки результатов измерений.
Апробация работы. Полученные в работе результаты докладывались на:
XIV и XV ВНК студентов и аспирантов радиофизиков (СПб, 2010, 2011);
ВНК студентов-физиков и молодых ученых ВНКСФ-17 (Екатеринбург, 2011);
XXIV и XXV сессии Российского акустич. общества (Саратов, Таганрог, 2011, 2012);
НПК, посвящённая 150-летию со дня рождения ак. А.Н. Крылова (СПб, 2013);
НТК, проведённой в рамках Недели военной науки (СПб, 2014);
XXVII сессии Российского акустического общества, посвящённая памяти учёных-акустиков «Крыловского ГНЦ» А.В. Смольякова и В.И. Попкова (СПб, 2014);
XII ВНПК «Прикладные технологии гидроакустики и гидрофизики» (СПб, 2014);
НПК студентов, аспир. и молодых специалистов «Балтийский экватор - 3» (СПб, 2014);
научных семинарах кафедр Физики и Судовой акустики СПбГМТУ: 2011, 2012, 2013, 2014, 2015.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 работы. Пять работ выполнены без соавторов, восемнадцать работ выполнены в соавторстве, доля автора 20%… 50%. В изданиях, определяемых Перечнем ВАК РФ, опубликовано 4 статьи, 1 статья выполнена без соавторов и 3 в соавторстве, доля автора 50%.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, и списка использованной литературы (59 наименований). Объём диссертации составляет 128 страниц, включая 29 рисунков и 9 таблиц.
Способы возбуждения термофонов
Герметичность камеры термофона обеспечивается тонкой полимерной плёнкой, посредством которой в верхней части термофона формируется звукопрозрачное окно. Для получения заданного уровня звукового излучения термофона L устанавливаются фиксированные значения: статического давления P0 и статической температуры T0 камеры; постоянного тока I0 и амплитуды переменного тока Im в АЭ.
Таким образом, классический термофон является довольно сложным техническим устройством, требующим соответствующего обслуживания. При обслуживании термофона наибольшие технические трудности возникают в части обеспечения прокачки чистых газов через внутреннюю полость его камеры. Однако обеспечение движения газа в объёме камеры является обязательной процедурой, обеспечивающей стабильность работы термофона. Потоки газа, контактирующие с поверхностью АЭ, забирают с него излишки тепла, за счёт чего параметры температурного поля поверхности АЭ становятся независящими от времени.
Элементом, обеспечивающим излучение звука термофоном, является его АЭ. Для изготовления АЭ использовались благородные дорогостоящие металлы [1-3], такие как золото и платина, имеющие высокую пластичность. Так как эти металлы имеют малое удельное электрическое сопротивление, то для достижения наибольшего электрического сопротивления Re необходимо, чтобы АЭ был длинным и тонким. Обычно АЭ термофонов изготавливались в виде двух параллельных лент тонкой металлической фольги (см., например, рис. 1.2). В ряде случаев АЭ термофонов являлись плоскими проволочными структурами, содержащими от 2 до 6 параллельных проводников. Минимальные значения толщины лент h и диаметров проволок dp составляет: h = 5,0 мкм, dp = 6,0 мкм. Площадь общей излучающей поверхности таких термофонов Sизл 1,0 см2. Более тонкие АЭ термофонов технически изготовить трудно. Это ограничение связано с неизбежным появлением неоднородности поперечного сечения тонких проводников, что, в свою очередь, приводит к их термическому разрушению при протекании электрического тока.
Современные технологии производства металлических лент и проволок позволяют изготавливать образцы, имеющие однородное поперечное сечение, практически из любых металлов, используемых в современной электротехнике. При этом имеется возможность изготавливать ленты толщиной h 1,0 мкм и проволоки диаметром dp 2,0 мкм. Это позволяет предложить для изготовления АЭ термофонов использовать обычные электротехнические металлы, исключив из употребления благородные металлы. Широкий выбор металлов, имеющих отличающиеся электрофизические параметры, даёт возможность подбора материала для изготовления АЭ термофонов, обладающих повышенной акустической эффективностью.
Малая механическая прочность классических термофонов не позволяет их применять в качестве источников звука мобильных устройств. По этой причине они в основном использовались в составе стационарных измерительных систем в качестве образцовых источников звука [1, 3]. Уровни звукового давления, создаваемые такими термофонами, позволяли успешно их применять для калибровки микрофонов, но оказались недостаточными для реализации на их основе других технических устройств. Это в связано с тем, что классические термофоны имеют малую площадь излучающей поверхности.
Рассмотрим способы электрического возбуждения классического термофона, выполненного по схеме, показанной на рис. 1.1. При этом полагаем, что верхнее полупространство является бесконечным.
Активный элемент термофона представляет собой тонкую полоску металлической фольги (ленты) или проволоку, по которой пропускается переменный (или одновременно переменный и постоянный) электрический ток. Этот ток создает колебания температуры поверхности проводника, которые распространяются в окружающей проводник среде в виде быстро затухающей тепловой волны, возбуждающей акустическую волну.
В настоящее время можно выделить два основных способа электрического возбуждения термофонов [1-3]:
1) через АЭ термофона одновременно текут постоянный электрический ток I0 и переменный ток с амплитудой Im. Если I0 Im, то излучаемая звуковая волна имеет частоту f, соответствующую частоте постоянного тока. Если I0 и Im одинакового порядка величины, то в спектре излучения термофона имеются звуковые волны с частотами f и 2f;
2) через АЭ термофона течёт только переменный электрический ток с амплитудой Im и частотой f. Тогда излучаемая термофоном звуковая волна имеет частоту 2f.
Рассмотрим механизмы образования переменных температурных полей, возбуждаемых на поверхности плоской электропроводной ленты, имеющей прямоугольное поперечное сечение. Лента ориентирована горизонтально в бесконечном пространстве, заполненном газом (рис. 1.3).
Выбор газа, обеспечивающего повышение акустической эффективности термофона
Анализ формул (1.3.8) и (1.4.7) показывает, что амплитуда звукового давления, создаваемого термофоном, пропорциональна амплитуде переменной температуры поверхности АЭ Т т \/h2, где h - толщина проводника. Следовательно, увеличение акустической эффективности термофона может быть обеспечено за счёт уменьшения толщины проводника h (или радиуса проводника, когда АЭ формируется из проволоки). При создании классических термофонов [1-3] использовалась
металлическая фольга толщиной h = 5,0…7,0 мкм. Механическая прочность такой фольги невелика и дальнейшее уменьшение её толщины не позволяет технически реализовать термофоны, выполненные по классической схеме. Сохранение целостности очень тонкого проводника может быть обеспечено только в том случае, когда слой проводника жёстко связан с поверхностью другого твёрдого тела, имеющего достаточную механическую прочность. Этот технологический приём использован при создании плёночных термофонов [5, 17].
Структурная схема плёночного термофона представлена на рис. 3.1. Активный элемент термофона – 1 нанесён на верхнюю поверхность подложки – 2, которая в свою очередь закреплена на верхней поверхности несущей пластины – 3. Фотографическое изображение термофона (вид сверху) показано на рис. 3.2.
Работа этого устройства отличается от работы классического термофона лишь тем, что тепловая волна, зародившаяся на нижней поверхности АЭ, распространяется не в газе, а в веществе, из которого изготовлена подложка. Условия формирования звуковых волн на верхней поверхности АЭ не изменяются. Существуют также варианты изготовления термофонов, в которых подложка отсутствует, и АЭ сформирован непосредственно на поверхности несущей пластины [18].
Активные элементы плёночных термофонов могут быть сформированы в виде очень тонких электропроводящих плёнок, для изготовления которых могут быть использованы: металлы и металлические сплавы [5, 17-21]; нанослои углеводородных трубок [22-26]; монослои графена [27-30] и др. В работе [17] показано, что наибольшую акустическую эффективность термофона обеспечивают тонкие электропроводные слои, изготовленные из металлов. Эти плёнки наносятся на поверхность твёрдого тела методом напыления, который в настоящее время широко используется при производстве современных радиокомпонентов. Толщина АЭ может составлять несколько десятков нанометров. Например, созданы и прошли испытания термофоны, у которых АЭ, изготовленные из алюминия и золота, имели соответственно толщину 30 нм и 40 нм [5, 17]. Форма излучающей поверхности АЭ термофона может быть, например, такой, как это показано на рис. 3.2.
Для повышения акустической эффективности термофона между его АЭ и поверхностью несущей пластины вводят дополнительный теплоизоляционный слой – подложку (см. рис. 3.1). При изготовлении подложек чаще всего используют пористый кремний [5] или пористые полимеры [17]. Изменение пористости вещества подложки позволяет управлять её тепловыми свойствами, что в свою очередь даёт возможность оптимизировать акустические параметры устройства.
Несущая пластина термофона обеспечивает ему необходимую механическую прочность. Площадь несущей поверхности пластины делают достаточной для формирования на ней излучающей поверхности термофона. В свою очередь величина площади излучающей поверхности должна обеспечивать заданные значения акустических параметров термофона, например, его характеристики направленности. Физические параметры вещества пластины выбирают из условия обеспечения стабильной работы термофона во время его эксплуатации. Конструктивное исполнение плёночного термофона претерпело существенные изменения, но остаётся достаточно простым, что обеспечивает технологические возможности его изготовления.
В литературе [5, 17-21, 25, 31] представлены экспериментальные данные, подтверждающие работоспособность новой конструкции термофона в диапазоне частот от 1,0 до 150 кГц. При непрерывном возбуждении уровни генерируемого термофонами звука могут достигать 100 дБ [25]. Измерения уровней звука производились на центральных осях термофонов на расстояниях 35…50 мм. Работа термофона в импульсном режиме обсуждается в статье [20].
Во всех случаях, обсуждавшихся в литературе, для обеспечения излучения звука использовался второй способ возбуждения АЭ термофона (см. подраздел 1.2). Через АЭ пропускался только переменный ток с частотой f и, как следствие этого, излучаемая термофоном звуковая волна имела частоту 2f.
Расчёт амплитуды переменной температуры поверхности активного элемента, изготовленного из проволоки
В разделе 3.2 показано, что амплитуда переменной температуры АЭ термофона зависит от теплофизических параметров, контактирующих с ним сред (см. рис. 3.3, б). Если предположить, что среда 1, в которой возбуждается звуковая волна имеет физические свойства газа или пара умеренной плотности, то всегда выполняется неравенство К Н«К Н-Следовательно, потерями тепла в среду, в которой распространяется звуковая волна, можно пренебречь и амплитуда переменной температуры АЭ определяется посредством выражения (3.3.10), куда входит параметр Н4 = \%4 Р4 Р4
Величина К Н определяется произведением основных теплофизических характеристик вещества, из которого изготовлена подложка. Согласно формуле (3.2.12) амплитуда температуры Г(/) \/Кн4. Следовательно, для повышения акустической эффективности термофонов при изготовлении подложки нужно выбирать вещества, имеющие минимальное значение параметра К Н4- Иначе говоря, подложка должна обладать достаточно хорошими теплоизоляционными свойствами.
Впервые ввести подложку в конструкцию термофона было предложено в статье [5]. В этой работе приводятся результаты экспериментальных исследований термофона, АЭ которого сформирован на поверхности подложки, представляющей собой слой пористого кремния толщиной /?4 = 10,0 мкм. Позже появилось предложение изготавливать подложки из пористых полимерных материалов. В статье [17] обсуждаются результаты исследований термофона, подложка которого изготовлена из пористого полимерного вещества толщиной / = 14,0 мкм.
Пористость вещества изменяет теплофизические параметры твёрдого тела, на основе которого оно изготовлено. Это в свою очередь приводит к изменениям величины параметра К Н4, отвечающего за теплоизоляционные свойства подложки. Влияние пористости вещества п на его тепловые параметры хорошо видно из данных, представленных в табл. 3.1. В этой таблице показаны физические параметры пористого кремния (pSi), имеющего пористость n = 0,7 [5] и n = 0,8 [34]. Для сравнения в таблице 3.1 приводятся параметры кристаллического кремния и плавленого кварца.
У идеального теплоизолятора KН4 = 0. В случае реального вещества, чем меньше значение коэффициента KН4, тем лучше его теплоизолирующие свойства. Из таблицы 3.1 видно, что значение KН4 пористого кремния уменьшается с ростом его пористости. Величина KН4 пористого кремния примерно на 2 порядка меньше значения KН4 кристаллического кремния. Следовательно, создание подложки из пористых веществ можно рассматривать как перспективное направление повышения акустической эффективности новой конструкции термофона.
Здесь необходимо отметить один недостаток пористых подложек. Согласно описанию технологических процессов создания пористых подложек [5, 17, 30] их изготовление производится в несколько этапов, на каждом из которых воздействие внешних факторов может повлиять на результаты процесса. По этой причине получение вещества с заданным значением пористости n носит вероятностный характер. Теплофизические параметры вещества различных подложек, изготовленных из одного и того же материала, могут сильно отличаться. Это недопустимо при промышленном изготовлении источников звука – термофонов. Остаётся надеяться, что развитие технологии изготовления пористых веществ позволит в будущем обеспечить воспроизводимость физических параметров вещества подложки.
Из таблицы 3.1 следует, что значение KН4 плавленого кварца всего в 5,6 раз больше, чем величина KН4 пористого кремния (n = 0,7). Это указывает на то, что существует возможность использовать в качестве подложки пластины, изготовленные из вещества, не имеющего пор. Для изготовления таких пластин могут быть использованы конструкционные материалы, которые широко применяются в современном приборостроении. В качестве примера теплофизические свойства некоторых конструкционных материалов представлены в таблице 3.2 [37, 38]. В этой же таблице приводятся значения коэффициентов линейного теплового расширения 4 этих материалов.
Приведённые в табл. 3.2 физические параметры слоистых пластиков (гетинакс, текстолит и стеклотекстолит) не являются точными значениями. В справочной литературе для этих материалов часто указывают диапазоны их возможных значений. Для определённости в табл. 3.2 помещены их средние значения. По этой причине данные, представленные в этой таблице, могут быть использованы для расчёта параметров термофонов первом приближении. Необходимо также отметить, что слоистые пластики обладают анизотропией физических свойств. Особенно сильно это влияет на величину коэффициентов теплопроводности х. Значения х могут сильно отличаться для случаев распространения тепловых потоков вдоль и поперёк слоёв материала, из которого изготовлен пластик. Кроме того, имеющиеся в литературе значения / часто приводятся без указания направления, вдоль которого производились их измерения.
Расчёт акустических параметров на центральной оси термофона
Для формирования электрических сигналов, при помощи которых происходило возбуждение термофонов, применялись генератор шума типа 1027 (Brel & Kjr) – 8 и усилитель мощности LV 103 фирмы Роботрон, Германия – 9. Обработка и анализ спектра сигналов, создаваемых излучающей поверхностью, производились при помощи датской аппаратуры PULSE LAN XI фирмы Brel & Kjr – 10, включающей в себя входной многоканальный модуль для подключения датчиков; портативный компьютер в защищённом исполнении с предустановленной операционной системой и специализированным программным обеспечением. Анализатор, генератор электрического сигнала и усилитель мощности в процессе измерений находились за пределами заглушённой камеры [48, 50].
Дополнительно в схему измерений (см. рис. 5.4) введён термометр-щуп Voltcraft DET1R – 11, изготовленный фирмой Voltcraft, Германия. Термометр-щуп использовался для контроля статической температуры разогрева поверхностей АЭ, возбуждённых термофонов. При проведении акустических измерений чувствительный элемент термометра обычно размещался на расстоянии 100…200 мкм от поверхности АЭ в точке наиболее удалённой от электрических контактов. Например, в точке А, как это показано на рис. 5.3-а. Для контроля температуры разогрева электрических контактов, чувствительный элемент термометра помещался над центром площадки контакта.
Необходимо отметить, что в ходе измерений акустических и термодинамических параметров термофонов использовались приборы и аппаратура, имеющие действующие метрологические сертификаты. Абсолютная ошибка уровней звукового сигнала по давлению составила AL = 1 дБ. Абсолютная ошибка измерений статической температуры поверхности АЭ термофона АТ= 0,1 К.
В процессе измерений реализована стандартная методика контроля параметров источников звука [48]. Описание структурной схемы стенда, на котором проводились акустические измерения, приводятся в подразделе 5.2. Основное отличие от стандартной методики расположения микрофонов в том, что срезы измерительных микрофонов находились на расстоянии х1 = 50,0 мм от центра излучающей поверхности исследуемого термофона. Это сделано для того, чтобы была возможность сопоставить результаты наших измерений [42, 43, 44] с измерениями, имеющимися в работе [5].
Всего было изготовлено и испытано более двух десятков плёночных термофонов. Форма АЭ таких термофонов показана на рис. 5.3-а, а их геометрические параметры представлены а табл. 5.1. Все образцы термофонов прошли полный цикл испытаний. Измерения акустических параметров термофонов проводились в диапазоне от 100 Гц до 10,0 кГц, что соответствует рабочему диапазону измерительного микрофона Type 4943. Анализ результатов измерений показал, что на частотах выше 3,0 кГц результаты измерений, полученных в заглушённой камере, практически полностью совпадают с результатами измерений, проведёнными в помещении НИЛ.
Если в формулы (4.2.5) и (4.2.6) подставить выражения для расчёта амплитуд колебательных скоростей Ц01 и С/02, то нетрудно убедиться, что амплитуда звукового давления, создаваемого плёночным термофоном на его центральной оси, изменяется пропорционально величине мощности переменного электрического тока, протекающего через его АЭ. Экспериментальные исследования плёночных термофонов, проведённые в работах [42, 43, 44], подтверждают это. В дальнейшем зависимость амплитуды звукового давления от мощности тока мы будем называть амплитудной характеристикой термофона.
Опыт экспериментальных исследований плёночных термофонов позволяется сделать вывод, что испытания термофонов необходимо начинать с измерений их амплитудных характеристик. Это обусловлено необходимостью уточнения значений теплофизических параметров вещества несущих пластин, на поверхностях которых нанесены АЭ. В подразделе 3.3 показано, что за теплоизоляционные свойства вещества несущей пластины отвечает термодинамический параметр КНъ = \1%зРзСрз , входящий в формулу (3.3.9), которая используется для расчёта амплитуды переменной температуры поверхности АЭ. Расчётные значения параметра KH3 слоистых пластиков, из которых в наших экспериментах изготавливались несущие пластины термофонов, представлены в таблице 3.2. Приведённые в таблице значения КH3 верны по порядку величины и, как следствие этого, с их помощью нельзя определить ход амплитудной характеристики с достаточной точностью.
Для того чтобы измерения амплитудных характеристик термо фонов можно было использовать для определения экспериментальных значений Кш, необходимо обеспечить выполнение условия (4.1.5). В этом случае можно пренебречь излучением звука, возникающим за счёт механических колебаний поверхности несущей пластины. Согласно данным, представленным в таблице 4.1, для слоистых пластиков, которые были использованы для изготовления несущих пластин, неравенство (4.1.5) выполняется с запасом. Следовательно, для расчёта распределения амплитуды звукового давления на центральной оси термофона можно использовать формулу (4.2.5), которую можно записать в виде
Значения всех физических параметров (кроме параметра Кш\ входящих в правую часть формулы (5.3.1.1), могут быть получены с достаточной точностью. Если в выражении (5.3.1.1) использовать экспериментальные значения амплитуды звукового давления, то величина параметра Km может быть определена расчётным путём.
Покажем это на примере термофонов, несущие пластины которых изготовлены из гетинакса, текстолита и стеклотекстолита. Все термофоны имеют АЭ, изготовленные из титана. Форма АЭ показана на рис. 5.3-а, основные параметры излучающих областей термо фона представлены в таблице 5.1. Во всех вариантах исполнения термофонов толщина их несущих пластин равна 5,0 мм. Другие параметры термофонов представлены в таблице 5.2.