Введение к работе
Актуальность тг".ч:. В настоящее время электроакустические преобразователи (ЭЛП) ігироко используются в различных отраслях техники я в биту. Сни нашли применение при неразругаккем контроле, в технике средств связи, в медицинской диагностике, шумометрни, архитектурной акустике к спектр их задач непрерывно расширяется. Требования к ЭЛП постоянно меняются и в связи с прогрессе:.; микроэлектроники. В зтіх условиях создание гибкой, хорошо проработанной теории, способной дать ответы на Еопросы практического проектирования, является задачей первостепенной важности. Корректная количественная оценка характеристик ЭАП может служить гарантией недопустимости серьезных ошибок в производстве.
Особое место среди ЭАП занимает злектретные электроакустические преобразователи (ЭЭП). Прежде всего это электротнке микрофоны, массовое производство которых налатано во всем мире. Принципиально разработаны'злектретные излучатели. Однако, ряд задач, связанных с разработкой конструкций ЭЭП, требуют разрешения. В первую очередь это влияние отдельных конструктивных элементов преобразователя на его чувствительность, частотную характеристику. Отсутствует методика сравнительной оценки ЭЭП. Также не решена задача взаимосвязи чувствительности преобразователя и его устойчивости. В связи с этим возникает необходимость создания методики, способной дать ответы на эти и другие вопросы,
К моменту постановки настоящей работы был накоплен большой теоретический v практический опыт по расчету и применению ЭЭП. В значительной степени этот материал имеет разрозненный характер, что затрудняет его использование при решении конкретных задач. Так, например, расчет электротных микрофонов проводится или на основе приближенных аналигнчесіия решети простейших конструкций, или точным решением отдельное частных задач, труд-, но переносимых на другие случак. Что касается расчетов излучающих структур, то данный вопрос вообще мало изучен. Все это затрудняет научно обоснованное конструирование новых ЭЭП, в том числе для использования в телефонных аппаратах.
Потребности теории й практики выходят за рамки возможное-
тей известных расчетных методик ЭЭП. Эффективным средством решешя подобных задач является математическое моделирование на ЗЕМ. Создание проблемно-ориентированных програмних средств постановки вычислительных экспериментов пркборно-технологичес-кого уровня позволяет перевести задачу машинного проектирования ЭЗП в ранг инженерных, способных влиять на процесс создания технически совершенного изделия.
Перечисленное выхе определяет актуальность настоящей диссертационной работы, которая и посвящена созданию методики оценки электроакустических характеристик электротних преобразователей с учетом их конструктивній особенностей.
Цель работа. Разработка инженерной методики расчета и оценки электроакустических характеристик электретного преобразователя на основе современных методов математического моделирования ЭЭП и обоснование рекомендаций для дальнейшего расширения их практического применения'. Для этого необходимо решит следувдие задачи:
разработать математическую модель' электретного преобразователя с учетом нерассмотренных ранее, уточняпдих ее существенных особенностей, способных влиять на показатели качества изделия, основные рабочие параметры ЭЭП: чувствительность, динамический диапазон, частотная характеристика, надежность и т.п.;
проанализировать работу и методы исследования известных конструкций ЗЭП с целью выработки рекомендаций по возможной их оптимизации;
- проанализировать условия устойчивости работы ЭЭП и оп
ределить взаимосвязь устойчивости с целью оптимизации их кон
струкций, в частности, применительно к телефонным аппаратам.
К'етопн исследований, Решение задач, поставленных в диссертационной работе, основывалось на численных методах математической физики с использованием ЭЕЫ типа РСДТ и осуществлялось путем разработки уточнялюое математических «оделей. Основные Тфогреммы для моделирования написаны на алгоритмическом языке г-ксекгго уровня "Турбо Сі'.", а текке с использованием матема- пакета для работы с матричной математикой щ771а.
tab. «.
Проверка адекватности модельных результатов реальным физически: объектам проводилась на простых задачах, решения которых не вызывает сомнений, а также путем экспериментальной проверки на типових изделиях. Экспериментальная работа проводилась на ка^дре Диэлектриков и полупроводников Санкт-Петербургского государственного, электротехнического университета, на Ркїісксм ПО ВС'!1, з Санкт-Петербургском акционерном обществе С АО) "УЛ.".".
Научная новизна. Научная новизна состоит из следукцих положения:
-
На основе уточненных математических моделей могут быть рассчитаны чувствительность и электростатические поля для конструкцій реального ЭЭП с учетом размеров и формы элек-. тродов, распределения поверхностной плотности заряда электрета, диэлектрических поддеряек, отверстий в электроде.'
-
Произведенная на основе моделирования количественная оценка влияния распределения поверхностной плотности заряда, формы электродов на чувствительность и устойчивость поэволя-
. ет определить оптимальное распределение поверхностной плотности заряда для заданной чувствительности ЭЭП.
3. Оптимизация характеристик при заданном разбросе техно
логических параметров ЭЭП может производиться по критерию его
"максимально допустимой чувствительности",.
Практическая ценность работы состоит в следунцем:
-
Разработанная в диссертации модель электретного микрофона обладает достаточной гибкостью к изменению параметров и универсальностью при расчете различных микрофонов, позволяет проводить подробный анализ существующих конструкций микрофонов с целью выявления нетехнологичных мест и возмогшего их улучшения по различным критериям. Модель также является инструментом для оценки качества новых конструкций без необходимости изготовления большого числа опытных образцов. Это удешевляет разработку, т.к. эксперимент заменяется математическим моделированием на ЭШ.
-
В диссертации произведен анализ максимально допустимой чувствительности электретного микрофона при наличии технологического разброса параметров конструкции. Ото по-гсляет
усовершенствовать технологию производства с целью повииония количества выхода годних кздолкп в процессе их серийного производства.
-
При использован::.: мощной вычислительно;! системы с большой памятью около 2 ТЛБаііт разработанная модель мккрофо-на может служить прототипом для создашія слолжых многомерных моделей электростатических устройств. Характерной особенность! математической моделі: является возможность ее использования и для расчета кзлучащкх структур электростатического типа.
-
В работе наглядно представлены два современных метода вычислительной математики: метод конечных разностей (метод сеток) и метод конечных элементов применительно к конкретным задачам расчета электростатических устройств. Последовательность выкладок и рассуждений может служить примером для рсиеш подобных задач.
'5. Полученные в работе результаты дают полезную информацию для более четкого представления физических процессов, происходящих в приборах с электростатическими полями.
6. Большой графический материал может быть использован для расчета характеристик ЭЭП.
Научіте положения, выносимые на защиту:
-
Точность вычисления статической чувствительности ЭЭП зависит от точности вычисления статического прогиба мембраны, как функции координат. Использование для расчетов квадратичного и поршневого приближений допускается только для плоско-параллельных конструкций с равномерным распределением поверхностного заряда электрета при величине статического прогиба в центре не более 25 % от начального зазора.
-
Увеличение устойчивости преобразователя, полученное за счет факторов, повышающее возвращанцую силу (поддержки, минимум плотности распределения заряда в центре и др.J позволяет достигать необходимой чувствительности при большем разбросе технологических параметров, в то время как увеличение устойчивости за счет снижения пондеромоторной силы (размер проткБОолохтрода, отверстия в кем к щ>.) ужесточает требования к разгресу. -
3. Г-гедлокеиа мптематпческач модель, с помощью которой ттсплгег.-.гся абсолютная оценка электроакустических характе-
ристик сухествукцих и разрабатываемых ЭЭП с учетом их конструктивных особенностей.
т>!П-.г-о,(..0 гепультатоя работы. Научные и практические результаты диссертационной работы использованы при разработке и производство телефонных микрофонов в производственном объединении ВМ г. Р/.га и в АО "КЕМ" г. Санкт-Петербург.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на:
- научно-техническом семинаре "Состояние и перспективы внедрения прогрессивной технологии изготовления БРЭА и ТА", г. Рига, 1988 г.;
-научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ЛЭТИ им. В.И.Ульянова (Ленина), 1988 - 1992 гг.
Публикации.Результаты диссертационной работы, кас'ащиеся электроакустических характеристик электретных преобразователей опубликованы в 2-х печатных работах.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы, включапцего 56 наименований работ советских и зарубежных авторов. Основная Часть работы изложена на 68 страницах машинописного текста. Работа содержит 52 рисунка и приложение.
