Особенности обработки экспериментальных результатов и примеры использования методики контроля параметров капсюлей электретных преобразователей

Как уже указывалось, при обработке экспериментальных значений C/UJ во внимание должны быть приняты только С,, не превышающие 1,5 Со . Это связано с тем, что согласно рассматриваемой методике значения С, > 1,5 Со соответствуют залипанию мембраны. Поэтому С„ наблюдаемые в этом случае, нс соответствуют разработанной модели, а связаны с наличием инородных включений в воздушном зазоре, различных неровностей и других причин, препятствующих залипанию. Поэтому, в частности, если в эксперименте нс наблюдается скачкообразного роста С, после С, = 1,5 Со, то можно сделать вывод о невысоком качестве преобразователя.

Другой важной особенностью обработки экспериментальных данных является то, что из расчетов должны быть исключены значения С„ измеренные при U = -Uj и близким к - U-) значениям напряжения. Это связано с тем, что в расчётных формулах

(например, (2.1.11) при U = -Uj получается неопределенность вида jj-. Поэтому

рассматривать следует значения С,, надёжно отличающиеся от Со.

Принятые во внимание значения С, и U, вводятся в разработанною программу (см. ниже), по которой производится расчет параметров (dj , г и др.) электретной КСПО и осуществляется проверка результатов расчёта. Полученные значения г, подлежат статистической обработке. Наиболее простая статистическая обработка основана на классической теории ошибок При этом среднее значение натяжения

где п - число измерений, а средняя ошибка среднего арифметического

где п - число измерений, а средняя ошибка среднего арифметического

Известно, что, например, с вероятностью Р = 96% можно утверждать, что истинное значение г находится в интервале т ~ 2ст- 4- г 4- 2(7-.

В таблице 2.4.1 сведены результаты измерений и расчётов, связанных с исследованием капсюля одной из модификаций электретного микрофона МКЭ-100. Экран был подсоединен к точке 1, рис. 2.2.1. В табл. 2.4.1 выделены те значения С, и Ut, которые были приняты в рассмотрение в связи с замечаниями, указанными выше. На рис. 2.4.1 показаны экспериментальные и расчётные зависимости Q(U).

На рис.2.4.2 показан разброс расчётных значений и при использовании различных способов расчёта, из которого, в частности, видно, что отчётливой корреляции между т и у₀ нет. Это свидетельствует о том, что натяжение мембраны существенно не возрастает при сс прогибе. Из данных табл.2.4.1 видно, что относительная погрешность по разбросу при определении г составляет около 12% (уровень доверительной вероятности Р=96%).

В табл. 2.4.2 и на рис. 2.4.3 и 2.4.4 приведены аналогичные результаты исследования того же капсюля микрофона МКЭ-100, отличающиеся от предыдущих только тем, что в процессе измерений экран был подсоединен к точке 3, рис. 2.2.1. Соответственно, в расчётах использовалось другое значение Си,, табл. 2.4.2.

Из данных табл. 2.4.2 видно, что при том же уровне доверительной вероятности относительная погрешность по разбросу при определении г составляет около 8% (поршневое приближение) и 6% (квадратичное приближение). Таким образом, использование подсоединения экрана к точке 3, рис. 2.2.1, позволило в данном случае существенно улучшить точность определения т. Кроме того, из рис.2.4.3 видно, что в данном случае расчётные кривые лучше соответствуют эксперименту, чем в случае, показанном на рис. 2.4.1. Видно также, что и рассчитанная в квадратичном приближении кривая С, (UJ лучше соответствует эксперименту, чем расчётная кривая С/ (Vi), полученная в поршневом приближении. Вместе с тем, следует отметить, «гто во всех случаях получено достаточно хорошее соответствие экспериментальных и расчётных данных. Результаты расчёта в поршневом и квадратичном приближениях в данном случае не очень сильно различаются. Вероятно, это связано с тем, что для имевшегося в нашем распоряжении исследованного микрофона а ~ /?, поэтому введенный в п.2.1. коэффициент а ' не сильно отличается от своего истинного значения (0.5) в этом случае.

Таблица 2.4.1.

Результаты исследования капсюля микрофона МКЭ-100. Экран подсоединён к точке I (рис.4.2.2.1)

и_э = -72 В (компенсационный метод); 11э = -73 В (из графика C,(Ut)): di = 32,5 лис и; лисы; А = 77,5 м/см;

а = 5,4.ми; ft = 6лш;С = 4825 пФ; Спи = 12.6 пФ, С_ПЛ = 18.9 иФ; Суии = 1,5 лФ =2,2.

Рис. 2.4.1. Экспериментальные и расчетные зависимости C,(Ui) для капсюля микрофона МКЭ-100. Экран - на точке 1 (рис.42.2.1). 1,2- расчетные кривые, 3 - эксперимент;! G(Ui) при г = г, (поршневое приближение), 2 - C,(Ui) при г = г, (квадратичное приближение).

Рис. 2.4.2. Расчетные значения натяжения мембраны капсюля МЮ-100. Экран - на точке 1 (рис. 2.2.1 )о - расчет в поршневом приближении;* - расчет в квадратичном приближении; прямые - средние значения; г, - расчет в поршневом приближении; г, - расчет в квадратичном приближении.

Таблица 2.4.2.

Результаты исследования капсюля микрофона МКЭ-100. Экран подсоединён к точке 3 (рис. 2.2.1).

V) = -72 В (компенсационный метод); di = 32,1 лиси; d'г — биоси; А = 76,6 и оси; а = 5,4 .им; Ь = 6 мм с» =22

1/э = -72 В (из графика CtfUi)) = 6 леи; О = 4825 лФ; См = 21,5 лФ; Си». = 18.9 лФ; Сюот= 1,5 лФ.

Рис. 2.4.3. Зависимость С, (U,) для капсюля МКЭ-100. Экран - на точке 3 (рис. 2.2.1).

1-расчет С,(С/,) при г = г, (поршневое приближение),2-расчет C,(U_t) при г = F, при (квадратичное приближение), 3 - эксперимент.

Рис. 2.4.4. Расчетные значения натяжения мембраны капсюля микрофона МКЭ-100. Экран - на точке 3 (рис. 2.2.1 ).о - расчет в поршневом приближении;* - расчет в квадратичном приближении; прямые - средние значения (г, - поршневое приближение, г, - квадратичное приближение).

Очевидно, при а « Ь коэффициент а тоже не сильно отличается от своего истинного значения а « 1. Поэтому погрешность поршневого приближения максимальна при а ~ Ь/2. Для проверки этого предположения был изготовлен лабораторный макет электретного преобразователя. Результаты его исследования сведены в табл. 2.4.3 и показаны на рис. 2.4.5 и 2.4.6.

Видно, что в данном случае использование квадратичного приближения дает результаты расчёта значительно лучше соответствующие эксперименту, чем при использовании поршневого приближения. Кроме того, в отличие от капсюля микрофона МКЭ-100, значения г/ и г.?, рассчитанные соответственно в поршневом и квадратичном приближениях, различаются существенно. 1 1аконец, напомним, что по виду экспериментальной кривой С, (U) и точности её соответствия расчёту можно судить о качестве капсюля преобразователя. В целом, это соответствие в данном случае хуже, чем у капсюля МКЭ-100: экспериментальная кривая С, (У<) не гладкая (как в случае МКЭ-100), имеет изломы, которые можно объяснить наличием неровностей и инородных включений в воздушном зазоре и неравномерным по площади натяжением мембраны; кривая С, (UJ после достижения значения 0=1,5С„ продолжает возрастать плавно, в то время как, согласно разработанной модели, должно произойти скачкообразное возрастание О • Это отклонение объясняется уже рассмотренными выше причинами.

Для проверки разработанной модели и выявления качества исследованных капсюлей представляет интерес также сравнить расчётные и экспериментальные значения напряжения залипания мембран (экспериментальные значения U, определялись по резкому увеличению С, при увеличении U, на небольшую величину AU). Результаты приведены в табл. 2.4.4, составленной на основе полученных выше выражений (2.3.7) (поршневое приближение) и (2.3.8) (квадратичное приближение). Отмстим, что как видно из вольт-фарадных характеристик и указанных выражений, этих значения два. Эти пары значений и приведены в табл. 2.4.4.

Видно, что для МКЭ-100 расчётные и экспериментальные значения U, удовлетворительно соответствуют друг другу. Те обстоятельства, что: 1) экспериментальные значения по величине несколько больше расчётных и 2) расчёт в поршневом приближении может лучше соответствовав эксперименту, чем расчёт в квадратичном приближении (а не наоборот) объясняются тем, что при значительном прогибе центра мембраны (когда U—>U) становятся существенными шероховатости электрода и мембраны, их волнистость, наличие пылинок, препятствующих залипанию и т.д.

Таблица 2.4.3.

Результаты исследований лабораторного тлектретного преобразователя. Экран - на точке 3 (рис.3.4). 66 ~ -2005 (компенсационный метод). 16=-197/?(из минимума вольт-фарадной характеристики)) di - 1462.мк»г, d: = 15.мюг; А = 336,7мкм: С*<=25пФ, йг=19,8л1Ц 6=35 .wr, С=4825лФ, G,=6,8/i0, Gui= $пФ

Рис. 2.4.5. Зависимость С, (?/,) для капсюля лабораторного образца электретного преобразователя.. Экран - на точке 3 (рис.2.2.1). 1 - расчет С, (V,) при г = г, (поршневое приближение), 2- расчет С., (?/,) при г = г, при (квадратичное приближение), 3 - эксперимент.

Рис. 2.4.6. Расчетные значения натяжения мембраны капсюля образца лабораторного электретного преобразователя. Экран - на точке 3 (рис.3.4).о - расчет в поршневом приближении, * - расчет в квадрантном приближении; прямые - средние значения (г, - поршневое приближение, г, - квадратичное приближение).

Таблица 2.4.4.

Расчётные и экспериментальные значения (U+lfy,в Вольтах; г = г₂.

Поэтому экспериментально наблюдаемые U, по величине всегда должны быть больше расчетных. В то же время из изложенного ясно, что чем лучше в целом соответствие расчётных и экспериментальных значений U„ тем выше качество преобразователя. Таким образом, использование метода вольт-фарадной характеристики позволяет не только неразрушающим способом контролировать параметры преобразователя, но и неразрушающим же способом контролировать наличие в нем дефектов - пылинок в рабочем зазоре, неплоскостность противоэлектрода и т.п. В этом отношении показателен испытанный лабораторный преобразователь низкого качества, у которого расчётные и экспериментальные значения U, заметно различаются. Правда, на фоне большого U, = -200 В это различие (37 В - в квадратичном приближении) не гак уж велико. Однако, само по себе заметное различие U₃pacu и U_iItn и тот факт, что оба расчётных значения U, (в том или ином приближении) имеют один знак, свидетельствует о том, что даже при U = 0 мембрана должна была бы залипнуть под действием одного только поля электрета. Отсутствие залипания можно объяснить только тем, что фактически при U= 0 мембране не дает залипнуть какой-то дефект (например, инородное включение в воздушном тюре) размером не менее

d —у I О наличии этого дефекта свидетельствуют изломы на кривой С, (U) при U

' ’'°и=0

= -80 100 В. Когда же на преобразователь подаётся потенциал U > 100 В,

значительно уменьшающий ЭП в воздушном зазоре, прогиб мембраны уменьшается (уо < 8 л/ли/, табл. 2.4.3) и дефект перестает на неё влиять. При этом наблюдается хорошее соответствие расчётной и экспериментальной кривых С, (UJ рис. 2.4.5 (особенно в квадратичном приближении). Следует отметить, что отличие расчётных и экспериментальных результатов может быть объяснено и другими причинами, например, неравномерным характером натяжения мембраны. Однако, в любом случае, по отклонению экспериментальных результатов от расчётных можно судить о том, что в преобразователе имеются отклонения от идеализированной конструкции, показанной на рис. 1.1.

Таким образом, разработанный метод является неразрушающим способом контроля и позволяет определять комплекс важнейших параметров электретных преобразователей непосредственно в конструкции их капсюлей по результатам одной операции - снятии вольт-фарадной характеристики. При этом не требуется специального оборудования, а схемотехническая реализация методики проста. Поэтому использование рассмотренного метода представляется перспективным при разработке и изготовлении новых электретных КСПО.