Файл: Римский-Корсаков А.В. Электро-акустика.pdf

тактов м е ж д у

зернами

угольного п о р о ш к а .

Угольный микрофон

о б л а д а е т очень

большой

чувствительностью

и отличается относи­

противления контактов м е ж д у зернами,

д а ж е в

отсутствие

с ж а т и я

его давлением звуковых волн, при подключении к н е м у

п и т а ю щ е г о

постоянного н а п р я ж е н и я ток в

его цепи

флуктуирует

с л у ч а й н ы м

образом,

в ы з ы в а я ,

во-первых,

шумовое

н а п р я ж е н и е

на

нагрузке,

а во-вторых, случайные изменения

чувствительности. Р а з о г р е в

кон­

тактов

м е ж д у зернами

при длительном включении

м о ж е т

привести

к спеканию порошка и резкой потере

чувствительности.

Зависи ­

мость

изменения сопротивления контактов под д а в л е н и е м

сущест­

венно

нелинейная,

что приводит к

большим

нелинейным

и с к а ж е ­

ниям сигнала .

Эти

особенности

угольного микрофона

заставили

полностью от­

к а з а т ь с я от его применения в устройствах,

в которых

требуется

вы­

сокое

качество п р е о б р а з о в а н и я

акустических

сигналов . Он

приме ­

няется

исключительно

в телефонной

связи,

где его

б о л ь ш а я

чув­

ствительность, по существу, — способность

усиливать

сигнал,

поз­

воляет

осуществлять

связь на

довольно

значительные

расстояния

без применения электронного усиления

на линиях связи .

П а р а м е т р и ч е с к и е приемники

весьма

р а з н о о б р а з н ы

в

конструк­

тивном

отношении. Они с л у ж а т

не т о л ь к о

в

качестве

приемников

звука

и вибраций, но и применяются в

тех

случаях,

когда

н а д о

измерять

медленно

м е н я ю щ и е с я

д е ф о р м а ц и и

и

н а п р я ж е н и я ,

ис­

пользуются в качестве элементов систем,

и з м е р я ю щ и х

м а л ы е пере­

мещения и углы поворота в системах автоматического

регулиро ­

вания . Остановимся здесь только

н а

некоторых

вопросах

п а р а м е т ­

рического

приема,

специфических

д л я технической

акустики.

К о э ф ф и ц и е нт преобразования

•Под

коэффициентом п р е о б р а з о в а н и я

параметрического

чув-

носительного

изменения величины электрического

п а р а м е т р а к от­

носительному

ж е изменению

его геометрии. Н а п р и м е р ,

относитель­

ное изменение

емкости

плоского к о н д е н с а т о р а ДС/С при

изменении

расстояния

м е ж д у его

о б к л а д к а м и

просто

равно

относительному

изменению

этого расстояния

Al/l. И н т е р е с у ю щ а я

нас величина ко ­

эффициента

преобразования,

следовательно,

равна:

Х = ( Д С / С ) : ( Д / / / ) = 1.

(5.24)

Параметрический приемник, действие которого основано на из­

менении воздушного з а з о р а в

магнитной цепи индуктивности, имеет

коэффициент

п р е о б р а з о в а н и я

X = (Д L/L): (Д ЦС) = _ ( Д RJRJ:

(Д1/1),

(5.25)

где

L —' индуктивность

приємного

элемента,

о б р а т н о

пропорцио ­

н а л ь н а я сопротивлению

RM

магнитной цепи. Д л я

RM

имеем

RM

= lls

+ lJiiS0;

(5.26)

I, s

— длина

и

поперечное

сечение

воздушного

з а з о р а ;

k,

s0,

р, —

длина, сечение и м а г н и т н а я проницаемость ферромагнитного

маг -

нитопровода.

Т а к

к а к

изменяется

только

длина

з а з о р а

/,

то

Д Я м / Я м < Д / / / и х < 1 -

Чувствительный параметрический индуктивный элемент м о ж е т

иметь

и замкнуты й сердечник . В этом .случае-основной

величиной,

в л и я ю щ е й на

изменение

/? №

о к а з ы в а е т с я м а г н и т н а я

проницаемость,

к о т о р а я

меняется

при

д е ф о р м а ц и и

сердечника: % = (AL/L)

: (А///) =

= (Др,/ц) : | ,

£ — д е ф о р м а ц и я

сердечника,

которую

считаем

одно­

родной п о всему сердечнику .

Э ф ф е к т изменения

магнитной проницаемости

ферромагнетиков

п о д давлением тесно связан с их магнитострикционным

э ф ф е к т о м .

Магнитоанизотропные,

спонтанно намагниченные

домен ы

материа ­

л а

находятся

в д е ф о р м и р о в а н н о м

состоянии . Эти

внутренние

маг -

нитоетрикционные д е ф о р м а ц и и

%$,

в ы з в а н н ы е

намагниченностью

н а с ы щ е н и я Is

доменов,

с о в п а д а ю щ и е

с

h

по

н а п р а в л е н и ю ,

не

соз­

д а ю т общего

(напряженного

состояния,

т а к

к а к

домен ы

ориенти­

р о в а н ы случайно и не создают общего магнитного

поля,

пока

на

них

не

действует

в н е ш н я я

н а п р я ж е н н о с т ь

магнитного п о л я .

Внут­

ренние

механические

н а п р я ж е н и я о* в

м а т е р и а л е ,

с в я з а н н ы е

с

де­

ф о р м а ц и е й доменов,

зависят

в

сильной

степени

от

о б р а б о т к и

м а ­

т е р и а л а

(отжиг, з а к а л к а ,

наклеп,

п р о к а т к а ) . С у м м а р н а я

магнит­

н а я

и у п р у г а я

энергия

в к а ж д о м

домене

в состоянии

равновесия

м и н и м а л ь н а . М о ж н о п о к а з а т ь ,

что

н а ч а л ь н а я

м а г н и т н а я

проницае ­

мость р,о (т. е. предел

отношени я

индукции

Б

к

напряженности

внешнего п о л я

Н при Н-+-0)

в

ферромагнетик е

с в я з а н а

с

Is,

Xs и

внутренними

'механическими

н а п р я ж е н и я м и а* соотношением:

щ , = 1 + 8 я / | / ( 9 А . 1 а , ) .

(5.27)

Если

к м а т е р и а л у

п р и л а г а ю т с я

извне

силы,

с о з д а ю щ и е в

нем

однородное ориентированное н а п р я ж е н и е а и соответственно

изме­

нение упругой энергии доменов, то

м а г н и т н а я проницаемость

ме­

няется,

т а к к а к

домены

с т р е м я т с я

снова установиться в

состоянии

м и н и м у м а суммарной магнитной упругой энергии и это

в ы з ы в а е т

изменение н а п р а в л е н и й

намагниченности

Is

по

отношению

-к

оч.

Соответствующий

расчет дает

новое

значение

проницаемости:

lia

= 1 + 8 я / 2 (1 _ - 4 с г / 5 а г д а , <т{).

Э т а формул а

справедлива, если а^Со,-, что обычно выполняется,

т а к

как

внутренние

н а п р я ж е н и я

в д о м е н а х

в е л и к и . Относительное

из­

менение

магнитной

проницаемости

Ац/м-= (ро—ц0)/ію=—(32/45)

X

Xnl2. о/(Kiioo2)•

З а м е н я д о

через

произведение

модуля

упругости

м а т е р и а л а Е

на

д е ф о р м а ц и ю

£ находим : х=Д; р/(ц.о£) =—(32/45)

X

Х і т / 2

£ / ( Л 4 Ю 0 2 ) .

И с п о л ь з уя

в ы р а ж е н и е

(5.27)

д л я н а ч а л ь н о й

магнитной

прони ­

цаемости

и

считая, что ц.о>>1,

т а к

что

р,о—1~р.о, легко

получить

простую

формулу:

Х = - ( 4 / 5 ) ( £ / с 1 ) .

(5.28)

Внутренние механические н а п р я ж е н и я

а, в

д о м е н а х

магнито-

•стрикционных к р и с т а л л о в п о данным рентгенографических

и з м е р е ­

ний

л е ж а т

в

п р е д е л а х

З-т-5- 10s

Н/ад2 .

П р и

модул е

упругости

£ «

1-Г-2-10й Н / м 2 к о э ф ф и ц и е н т

п р е о б р а з о в а н и я

н а х о д и т с я

в

пре ­

д е л а х

ІбО-г-530. К а к видно из ф-лы

(5.28), % велико

в м а т е р и а л а х

с м а л ы м и а,

т. е. в м а т е р и а л а х ,

о т о ж ж е н н ы х , без н а к л е п а

или

дру ­

гих

видов

остаточной д е ф о р м а ц и и .

Если

еще

иметь

в

виду,

что

(р,о—1)/LIO

п а д а е т с уменьшением ро, то

м а т е р и а л ы

д л я

пьезомаг -

нитных датчиков следует в ы б и р а т ь магнитомягкими,

о б л а д а ю щ и м и

большой

начальной проницаемостью .

Некоторые

магнитомягкие

ферриты

и м е ю т

большую

величину

X, с о с т а в л я ю щ у ю несколько

сотен. О д н а к о следует

иметь

в в и д у ,

что

большой

м о д у л ь

упругости

материала ,

с о с т а в л я ю щ и й

1,6ч-1,8 • 101 1

Н/ім2 , приводит к

необходимости с о з д а в а т ь

на

чувстви­

тельный элемент большие д а в л е н и я д л я получения измеримого

э ф ­

фекта

изменения индуктивности. В с а м о м

деле, при

упругой

д е ф о р ­

мации

тела

% = а1Е относительное

изменение индуктивности

льезо -

ставит: 4 L / L =

(Ap . /p . )|=xs = X C I /'^ -

Д а ж е

если %=103 , а

д о л ж н о

составлять

1 0 _ 5

Е , чтобы получить

1%

изменения

индуктивности,

т . е . около

1,6-7-1,8-106 Н / м 2 . Это составляет окол о

200 д Б

по отно ­

ницы, т а к к а к

при р а с т я ж е н и и

металлической проволоки умень ­

шаетс я и ее поперечное

сечение. Уменьшение

поперечного

р а з м е р а

составляет oAl/l,

где

а — коэффициент Пуассона,

обычно

р а в н ы й

0,26-7-0,3. Уменьшение

поперечного

сечения

(пропорционального

к в а д р а т у поперечного

р а з м е р а ) .составит

—2оА///,

т а к

что

&R/Rtt

Л І (1 +2ст)А///, % = 1 +2(7 = 1,5-7-1,6.

Т а к и м

о б р а з о м ,

п а р а м е т р и ч е ­

ские приемники,

кроме

выполненных из пьезомагнитных

м а т е р и а ­

лов — ферритов,

имеют

обычно

коэффициен т

п р е о б р а з о в а н и я

%,

м а л о о т л и ч а ю щ и й с я от

единицы.

Только

у угольного

порошка,

ос­

слоях у поверхности

зерен, 'благодаря тому, ічто

деформируются

именно поверхностные

слои, х ^ 1-

Поиски материалов, с п о м о щ ь ю которы х м о ж н о

осуществить

%Э>1 и у которых нет

п р и этом неустойчивых контактов, привели

к полупроводниковым

кремниевым

и германиевым

к р и с т а л л а м .

О к а з а л о с ь , что омическое сопротивление переходного

слоя в

по ­

лупроводниковых элементах сильно

меняется п р и

д е ф о р м а ц и и ,

т а к

ч то дл я них х м о ж е т составлять величину п о р я д к а

сотни. В то ж е

в р е м я полупроводниковый

к р и с т а л л — это вполне

стабильное тело,

и случайные флуктуации

его сопротивления много меньше, чем

торные,

присоединяя

электроны

из в а л е н т н о й зоны

к р и с т а л л а ,

соз­

д а ю т в ней вакансии — «дырки» и, следовательно,

дырочную

р-про-

кодимость. В кристаллах, используемых в полупроводниковых

при­

б о р а х , ооздаются

р—«-переходы,

т. е. граница, с одной

стороны ко­

торой

акцепторные

примеси создают основную

р-проводимость, а

с другой

введенные

в этот

кристалл тем или иным

способом

избы­

точные, донорные примеси — «-проводимость.

Непосредственно

около

р—«-перехода

вследствие

в ы р а в н и в а ­

н и я химических потенциалов образуются

о б ъ е м н ы е

з а р я д ы , препят ­

с т в у ю щ и е д в и ж е н и ю

основных

носителей

т о к а

(т. е. д ы р о к — в

р - полупрозоднике

и электронов — в

« - полупроводнике) . Ток через

переход

под действием н а п р я ж е н и я ,

приложенного

в

направлении

поля,

создаваемого

объемным

з а р я д о м ,

определяется

в

основном

диффузией неосновных носителей («-носителей

из

р - полупровод -

ника и р-носителей

из « - полупроводника) .

Этот

ток растет

экспо­

ненциально с п р и л о ж е н н ы м

н а п р я ж е н и е м

U и м о ж е т б ы т ь

в ы р а ж е н

.зависимостью:

і = e[DnnplLn

+ DppnILp]

[ехр{е(У/£Г}— 1].

З д е с ь є — з а р я д

электрона;

D n , v

— коэффициенты

д и ф ф у з и и

элек­

тронов в р - полупроводнике

и д ы р о к в « -полупроводнике; «р и р п —

концентрации неосновных носителей; L n

, P

— д и ф ф у з и о н н ы е

длины

пробегов

носителей,

т. е. д л и н ы

путей,

которые

свободно

могут

п р о й т и

носители с вероятностью

е - 1 ( ~ 0,36); k — постоянная Б о л ь ц -

мана;

Т — т е м п е р а т у р а .

Концентрации

« р

и р п о б л а д а ю т

тем свойством,

что их произ ­

ведение на соответствующие концентрации основных

носителей по ­

стоянно: « р Р р = « ш ,

« П Р П =

«02-

Здесь

«01» «се —

концентрации

соб­

таллов с обеих сторон от перехода .

В р а с с м а т р и в а е м о м

с л у ч а е

чистый м а т е р и а л с обеих сторон

перехода

один

и

тот ж е и

«о1 = « о 2 = П о = Л ^ Э ф ф ехр {—Eg/2kT},

где

ЛГЭфф — некоторая

эффектив ­

ная

к о н ц е н т р а ц и я электронов

в

валентной зоне чистого

к р и с т а л л а ,

.а Е8

— ширина

запрещенной

зоны

м е ж д у валентной

и зоной про ­

водимости. С

другой

стороны, к о н ц е н т р а ц и я

основных

.носителей

создается практически

только

а т о м а м и примесей,

которые у ж е при

• обычных т е м п е р а т у р а х полностью

ионизованы,

и, таким

образом,