Получение тонкопленочных электретов на основе фторопласта - 4 и изготовление приборов на их основе (стр. 10 из 13)

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.