5.5. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ПРИЕМНИКИ

Область применения

Принцип работы параметрических приемников звука и вибраций основан на изменении соответственным образом сконструированных элементов электрической цепи или при их механической деформации.

Простейшим и известным из элементарной электротехники параметрическим приемником является угольный микрофон. В нем

при переменном сжатии изменяется омическое сопротивление контактов между зернами угольного порошка. Угольный микрофон обладает очень большой чувствительностью и отличается относительной простотой конструкции. Однако из-за нестабильности сопротивления контактов между зернами, даже в отсутствие сжатия его давлением звуковых волн, при подключении к нему питающего постоянного напряжения ток в его цепи флуктуирует случайным образом, вызывая, во-первых, шумовое напряжение на нагрузке, а во-вторых, случайные изменения чувствительности. Разогрев контактов между зернами при длительном включении может привести к спеканию порошка и резкой потере чувствительности. Зависимость изменения сопротивления контактов под давлением существенно нелинейная, что приводит к большим нелинейным искажениям сигнала.

Эти особенности угольного микрофона заставили полностью отказаться от его применения в устройствах, в которых требуется высокое качество преобразования акустических сигналов. Он применяется исключительно в телефонной связи, где его большая чувствительность, по существу, — способность усиливать сигнал, позволяет осуществлять связь на довольно значительные расстояния без применения электронного усиления на линиях связи.

Параметрические приемники весьма разнообразны в конструктивном отношении. Они служат не только в качестве приемников звука и вибраций, но и применяются в тех случаях, когда надо измерять медленно меняющиеся деформации и напряжения, используются в качестве элементов систем, измеряющих малые перемещения и углы поворота в системах автоматического регулирования. Остановимся здесь только на некоторых вопросах параметрического приема, специфических для технической акустики.

Коэффициент преобразования

Под коэффициентом преобразования параметрического чувствительного приемного элемента будем понимать отношение относительного изменения величины электрического параметра относительному же изменению его геометрии. Например, относительное изменение емкости плоского конденсатора при изменении расстояния между его обкладками просто равно относительному изменению этого расстояния Интересующая нас величина коэффициента преобразования, следовательно, равна:

Параметрический приемник, действие которого основано на изменении воздушного зазора в магнитной цепи индуктивности, имеет коэффициент преобразования

где индуктивность приемного элемента, обратно пропорциональная сопротивлению магнитной цепи. Для имеем

длина и поперечное сечение воздушного зазора; длина, сечение и магнитная проницаемость ферромагнитного магнитопровода. Так как изменяется только длина зазора I, то

Чувствительный параметрический индуктивный элемент может иметь и замкнутый сердечник. В этом случае основной величиной, влияющей на изменение оказывается магнитная проницаемость, которая меняется при деформации сердечника: деформация сердечника, которую считаем однородной по всему сердечнику.

Эффект изменения магнитной проницаемости ферромагнетиков под давлением тесно связан с их магнитострикционным эффектом. Магнитоанизотропные, спонтанно намагниченные домены материала находятся в деформированном состоянии. Эти внутренние магнитострикционные деформации вызванные намагниченностью насыщения 18 доменов, совпадающие с по направлению, не создают общего напряженного состояния, так как домены ориентированы случайно и не создают общего магнитного поля, пока на них не действует внешняя напряженность магнитного поля. Внутренние механические напряжения в материале, связанные с деформацией доменов, зависят в сильной степени от обработки материала (отжиг, закалка, наклеп, прокатка). Суммарная магнитная и упругая энергия в каждом домене в состоянии равновесия минимальна. Можно показать, что начальная магнитная проницаемость (т. е. предел отношения индукции В к напряженности внешнего поля при в ферромагнетике связана с и внутренними механическими напряжениями соотношением:

Если к материалу прилагаются извне силы, создающие в нем однородное ориентированное напряжение о и соответственно изменение упругой энергии доменов, то магнитная проницаемость меняется, так как домены стремятся снова установиться в состоянии минимума суммарной магнитной упругой энергии и это вызывает изменение направлений намагниченности по отношению к Соответствующий расчет дает новое значение проницаемости:

Эта формула справедлива, если что обычно выполняется, так как внутренние напряжения в доменах велики. Относительное изменение магнитной проницаемости, Заменяя а через произведение модуля упругости материала на деформацию находим:

Используя выражение (5.27) для (начальной магнитной проницаемости и считая, что так что легко получить простую формулу:

Внутренние механические напряжения в доменах магнитострикционных кристаллов по данным рентгенографических измерений лежат в пределах При модуле упругости Еж коэффициент преобразования находится в пределах 1604-530. Как видно из велико в материалах с малыми т. е. в материалах, отожженных, без наклепа или других видов остаточной деформации. Если еще иметь в виду, что падает с уменьшением то материалы для пьезомагнитных датчиков следует выбирать магнитомягкими, обладающими большой начальной проницаемостью.

Некоторые магнитомягкие ферриты имеют большую величину X, составляющую несколько сотен. Однако следует иметь в виду, что большой модуль упругости материала, составляющий приводит к необходимости создавать на чувствительный элемент большие давления для получения измеримого эффекта изменения индуктивности. В самом деле, при упругой деформации тела относительное изменение индуктивности пьезочувствительного ферромагнетика при приложении давления о составит: Даже если о должно составлять чтобы получить 1% изменения индуктивности, т. е. около Это составляет около по отношению к порогу слышимости. Ферритовые параметрические элементы позволяют создать надежные приемники больших переменных и квазистатических давлений.

Приемники с изменяющимся омическим сопротивлением металлического проводника имеют величину х, несколько большую единицы, так как при растяжении металлической проволоки уменьшается и ее поперечное сечение. Уменьшение поперечного размера составляет где а — коэффициент Пуассона, обычно равный Уменьшение поперечного сечения (пропорционального квадрату поперечного размера) составит так что Таким образом, параметрические приемники, кроме выполненных из пьезомагнитных материалов — ферритов, имеют обычно коэффициент преобразования мало отличающийся от единицы. Только у угольного порошка, основное сопротивление которого сосредоточено в тонких контактных слоях у поверхности зерен, благодаря тому, что деформируются именно поверхностные слои,

Поиски материалов, с помощью которых можно осуществить которых нет при этом неустойчивых контактов, привели к полупроводниковым кремниевым и германиевым кристаллам. Оказалось, что омическое сопротивление переходного слоя в полупроводниковых элементах сильно меняется деформации, так

что для них может составлять величину порядка сотни. В то же время полупроводниковый кристалл — это вполне стабильное тело, и случайные флуктуации его сопротивления много меньше, чем у угольного порошка.

Механизм электропроводности полупроводниковых кристаллов довольно сложен. Описание его основывается на квантовой теории твердого тела. Проводимость применяемых на практике германиевых и кремниевых легированных полупроводниковых кристаллов при обычных температурах определяется концентрацией атомов примесей. Донорные примеси отдают электроны в энергетическую зону проводимости, создавая электронную -проводимость, а акцепторные, присоединяя электроны из валентной зоны кристалла, создают в ней вакансии — «дырки» и, следовательно, дырочную -проводимость. В кристаллах, используемых в полупроводниковых приборах, создаются -переходы, т. е. граница, с одной стороны которой акцепторные примеси создают основную -проводимость, а с другой введенные в этот кристалл тем или иным способом избыточные донорные примеси — -проводимость.

Непосредственно около -перехода вследствие выравнивания химических потенциалов образуются объемные заряды, препятствующие движению основных носителей тока (т. е. дырок в -полупроводнике и электронов — в -полупроводнике). Ток через лереход под действием напряжения, приложенного в направлении поля, создаваемого объемным зарядом, определяется в основном диффузией неосновных носителей -носителей из -полупроводника и -носителей -полупроводника). Этот ток растет экспоненциально с приложенным напряжением и может быть выражен зависимостью:

Здесь заряд электрона; коэффициенты диффузии электронов в -полупроводнике и дырок в -полупроводнике; пр и концентрации неосновных носителей; диффузионные длины пробегов носителей, т. е. длины путей, которые свободно могут пройти носители с вероятностью постоянная Больцмана; температура.

Концентрации пр и обладают тем свойством, что их произведение на соответствующие концентрации основных носителей постоянно: пррр Здесь концентрации собственных электронов проводимости чистых (нелегированных) кристаллов с обеих сторон от перехода. В рассматриваемом случае чистый материал с обеих сторон перехода один и тот же и где некоторая эффективная концентрация электронов в валентной зоне чистого кристалла, ширина запрещенной зоны между валентной и зоной проводимости. С другой стороны, концентрация основных носителей создается практически только атомами примесей, которые уже при юбычных температурах полностью ионизованы, и, таким образом,

и — величины, которые можно считать постоянными. Тогда:

Можно считать величину постоянной, не зависящей от деформации кристалла, хотя это, вообще говоря, не совсем точно. Как показывает более точное исследование, вклад в изменение тока из-за зависимости от деформации мал по сравнению с изменением, вызываемым изменением ширины запрещенной зоны от которой зависит множитель

Изменение ширины запрещенной зоны при деформации кристаллической решетки, связанное с изменением энергии решетки, можно рассчитать на основе теории деформационного потенциала, которая дает в линейном приближении следующую зависимость:

где ширина запрещенной зоны недеформированной решетки кристалла, относительное изменение объема решетки, а некоторая постоянная, составляющая по порядку величины несколько единиц электрон-вольт

С помощью и (5.30) можно оценить интересующую нас величину для пьезополупроводникового приемного элемента. Дифференциальную проводимость -перехода можно записать в виде а ее относительное изменение (равносильное относительному изменению сопротивления) при деформации составит:

Малые относительные изменения объема кристалла связаны с деформацией растяжения (сжатия) линейно. Коэффициент пропорциональности зависит от типа симметрии и соотношения упругих постоянных кристалла и находится по разности между растяжением в направлении и поперечными сжатиями. Величина его равна примерно так что

Подставляя (5.29) в (5.31) и используя (5.30) с учетом (5.32), получим:

При температуре составит

Работа приемника на нагрузку

При подключении параметрического элемента к источнику заданного тока напряжение на нем, очевидно, составит:

где сопротивление элемента при

Если -омическое сопротивление, то питающий ток может быть как постоянным, так и переменным, с частотой много выше верхней частоты диапазона сигнала (т. е. частоты изменения (переменной величины При реактивном сопротивлении ток очевидно, должен быть переменным. При питании постоянным током полезный эффект определяется вторым слагаемым правой части выражения (5.34). Это слагаемое можно рассматривать в эквивалентной схеме как некоторую а сопротивление как внутреннее сопротивление источника этой

Рис. 5.7. Схема параллельного включения параметрического резистивного приемника на нагрузку

Рис. 5 8. Согласованное включение резистивного параметрического приемника на нагрузку через трансформатор

Тогда для переменных составляющих токов и напряжений работа параметрического приемника может быть представлена схемой рис. 5.7. В реальной схеме параллельного подключения нагрузки к параметрическому резистивному приемнику требуется разделительная емкость, чтобы исключить доступ постоянной, составляющей падения напряжения на вход последующей усилительной схемы. Для согласования с сопротивлением нагрузки (входа усилителя) можно использовать трансформатор (рис. 5.8). В этом случае полезное напряжение на выходе нагруженного трансформатора составит:

максимально при

При максимальном использовании мощности параметрического преобразователя напряжение, отдаваемое им на нагрузку, пропорционально корню квадратному из мощности которая допустима для чувствительного элемента по техническим соображениям.

Для схемы последовательного соединения параметрического элемента с нагрузкой (рис. 5.9) на основании аналогичных соображений получим:

где как и в случае схемы параллельного соединения, равно корню квадратному из мощности, рассеиваемой на параметрическом элементе.

При необходимости приема весьма низких частот схемы с разделительной емкостью и трансформатором не могут быть использованы при питании постоянным током и заменяются компенсированными мостовыми схемами, несоздающими постоянного напряжения на нагрузке (рис. 5.10).

Рис. 5 9. Последовательное включение параметрического приемника и нагрузки

Рис. 5 10. Мостовая схема включения параметрического резистивного приемника

В области низких звуковых и инфразвуковых частот трансформаторный выход при питании моста постоянным током трудно осуществить из-за уменьшения индуктивного сопротивления холостого хода трансформатора с понижением частоты Напряжение с мостовой схемы подается в этом случае непосредственно на высокоомный вход усилителя. Рассматривая постоянное сопротивление плеча моста рис. 5.10) как нагрузку для чувствительного элемента приходим к выводу, что в соответствии с (5.37) максимальное полезное напряжение может быть получено с равноплечного моста в отсутствие деформации Если также является составной частью чувствительного элемента и то удваивается по сравнению с определяемым по

При использовании тех же схем с питанием переменным током напряжение на чувствительном элементе оказывается модулированным по амплитуде и коэффициент модуляции, очевидно, составляет Поскольку при использовании балансированного моста на выходной его диагонали несущая частота отсутствует, для восстановления сигнала на выходе усилительной схемы потребуется не обычный амплитудный детектор, а синхронный. В остальном соображения, высказанные выше относительно схем с питанием постоянным током, могут быть использованы и при рассмотрении схем с питанием переменным током при амплитудной модуляции.

Изменяющийся электрический параметр предоставляет большие возможности для создания различных видов модуляции: амплитудной, частотной, разновидностей импульсной модуляции. Детальное рассмотрение этих схем составляет предмет техники усиления слабых сигналов и измерения малых изменений электрических величин и мы его касаться не будем. Отметим только, что

сложность электронной части параметрических приемников оправдывается тем, что напряжение их электрических шумов может быть сделано малым, что позволяет принимать слабые сигналы даже при небольшой чувствительности механико-акустической системы приемника.