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)

иэ = -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, СПЛ = 18.9 иФ; Суии = 1,5 лФ =2,2.

ил

-70 -60 -50 -40

-30 -20 -10 0 25

50 75 100

125 150 175

200 225

Сх.пФ

80,0 74,8 71,2 68,0

59,4 58,5 57,8 57,2 56,6

50,0 55,7 56,0

56,3 57,3 58,7

69,7 79,4

G, л Ф

48,0 42,6 38,9 35,6

26,9 25,9 25,2 24,6 24,0

29,4 23,1 23,4

23,7 24,7 26,1

37,4 47,9

1 |f'=26-8^ 1* = ,8^7

Топ

мкм

30,9 27,3 24,2 21,0

8,59 6,63 5,17 3,85 2,47

1,01 0,256 1,01

1,75 4,08 7,04

22,9 30,4

г,, Н/м

52,0 40,1 32,1 26,2

30,3 29,6 28,5 28,1 17,8

9,04 0,646 14,6

31,2 31,5 35,5

34,7 59,5

fc 1 г2 «26.8 — а. ё ' •« з ю „

я s , _ п СО ГУ <7 г —1,7-

14 П • -«

У02 » мкм

26,4 24,0 21,8 19,3

8,36 6,52 5,12 3,84 2,48

1,04 0,280 1,04

1,76 4,08 6,86

20,2 26,2

г,, Н/м

59,1 43,5 33,7 26,6

28,4 27,4 26,3 25,7 16,4

8,01 0,539 13,0

28,2 28,6 33,1

35,9 67,3

. *

X х

II - = &г = г!

уЗ.

мкм

10,8

7,35 5,90 4,43 3,27 1,30

  • 0,275
  • 0,005
  • 0,447

1,67 3,93 8,03

-

/-?0) S3 »

пФ

28,4

26,6 25,6 24,9 24,4 23,5

23,1 23,0 23,2

23,7 24,7 26,7

g 1

  • 3 ю
  • 1 |Г = Г2

Ум > лкм

13,9

9,21 6,75 5,01 3,67 1,44

  • 0,304
  • 0,006
  • 0,496

1,86 4,43 9,52

-

30,6

27,4 26,1 25,2 24,6 23,6

23,1 23,0 23,2

23,8 24,9 27,6

-

Экспериментальные и расчетные зависимост

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).

Расчетные значения натяжения мембраны капсюля МЮ-100

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.

UJd

-50

^0

-30

-20

-10

0

25

50

75

100

125

150

175

Сх, п Ф

89,54

79,80

71,38

69,72

68,32

66,75

65,56

64,98

64,82

65,12

65,95

67,58

71,10

С/, п Ф

48,61

38,61

30,00

28,31

26,88

25,28

24,07

23,48

2331

23,62

24,46

26,12

29,72

?2 Г = 23.4 —

Уоп ЛЮ/

30,4

2Ъ2

13,1

10,3

7,79

4,58

1,87

0,448

0,025

0„792

2,77

6,31

12,6

||ст, =,.ос"

С = «

г,, н/м

39,9

27,9

24,8

22,6

21,6

25,0

23,6

20,6

6,73

19,1

20,94

22,7

25,6

s Sf==2l-8T

У02» ЛЛСИ

26,1

21,0

12,5

10,0

7,64

4,52

1,88

0,480

0,024

0,800

2,76

6,20

12,1

J |<гг- = 0,651

. г2, Н/м

45,3

29,0

23,8

21,4

20,1

23,0

21,4

17,5

6,40

17,2

19,1

21,1

24,5

Щ 1

1!г=г-

Ую, -V//CV/

-

-

13,0

8,58

6,16

4,44

1,71

0,357

0,066

0,583

2,21

5,41

13,9

с<;>, н/м

-

-

30,4

27,4

26,1

25,2

24,0

23,4

23,3

23,5

24,2

25,7

31,1

ё 1

у;?» л*си

-

-

-

9,64

6,76

4,82

1,84

0,383

0,007

0,625

2,39

5,91

16,9

3 ю _

I I г = г2

42)» ЯД/

-

-

-

28,1

26,4

25.4

24,0

23,4

23,3

23,5

24,3

25,9

53,7

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

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,(Ut) при г = F, при (квадратичное приближение), 3 - эксперимент.

Расчетные значения натяжения мембраны капсюля микрофона МКЭ-100

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

ЦВ

-40

-30

-20

-10

0

25

50

75

100

125

150

175

200

225

250

300

G. /7 Ф

172

165

154

149

136

124

109

106

103

101

100

100

99,7

99,8

100

103

С/, пФ

147

139

128

122

109

96,2

81,3

77,9

74,6

72,5

71,9

71,3

71,2

71,2

71,9

74,4

^-24,2 "

g 1

“ 1,03 — С п Л»

Том ЛШ1

93,8

39,2

31,2

76,2

63,7

47,4

22,7

15,7

838

332

1,78

0,15

-

0,15

1,77

7,80

Г,, Н/м

44,4

38,7

32,9

23,0

25,2

20,1

22,0

20,3

22,5

29,9

24,4

69,3

-

69,3

24,4

23,8

н

я За» =0.81 — Я с" -и

У 02 У леем

92,6

88,1

80,3

75,5

63,3

47,1

22,6

15,6

938

332

1,76

0,14

-

0,14

1,78

7,82

г2, Н/м

31,7

27,5

23,4

20,5

17,8

14,1

15,4

143

15,7

20,3

17,1

53,0

-

53,0

17,0

16,5

= 1

||Г = Г|

У%9 лаем

48,0

37,9

31,8

27,1

18,7

12,8

8,43

530

2,85

134

0,31

0,31

1,24

5,20

СЦ Н/м

-

96,9

90,1

863

83,7

79,4

76,6

74,4

733

72,4

71,7

71,4

-

71,4

71,7

73,3

Ум » ЛКИ

-

-

-

-

-

31,4

19,9

12,7

7,64

1,79

4,13

0,44

-

0,44

1,79

7,64

Квадрат.

ириближ

II

J4'

/-(2) '-'/з »

Н/м

-

-

-

-

-

86,1

80,0

76,6

74.4

72,9

71,9

71,4

-

71,4

71,9

74,4

Зависимость С, (?/,) для капсюля лабораторного образца электретног

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.

Расчетные значения натяжения мембраны капсюля образца лабораторного электретного преобразователя

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.

Способ опреде- ления

Капсюль

Расчёт Ufa*l

Эксперимент

Umn

поршневое

приближение

квадратичное

приближение

МКЭ-100 без экрана

-41,3; 185

-39,7; 184

-39; 180

МКЭ-100 с экраном

-28,4; 172

-27,1; 171

-38; 180

Лабораторный, с экраном

61,1; 339

17,0; 383

-20; -

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 UiItn 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.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >