научная статья по теме ЗВУКОВАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА Энергетика

Текст научной статьи на тему «ЗВУКОВАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА»

УДК 621.3.083.8. 551.54

ЗВУКОВАЯ АНТЕННАЯ РЕШЕТКА

SOUND ANTENNA ARRAY

Казарян Акоп Айрапетович

д-р техн. наук, вед. научн. сотрудник E-mail: mirionkov@inbox.ru

Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н. Е. Жуковского, г. Жуковский

Аннотация: На базе конструкции и технологии тонкопленочных емкостных датчиков давления разработана антенная решетка для измерения звукового давления. Антенная решетка из трех емкостных чувствительных элементов и более позволяет измерять давление, колебательную скорость и интенсивность звука. Ключевые слова: звуковая волна, антенная решетка, диаграмма направленности, фаза, луч, частицы, давление, скорость, дальнее, поле, датчик.

Kazaryan Akop A.

D. Sc. (Tech.), Leading Researcher E-mail: mirionkov@inbox.ru

Central Aerohydrodynamic Institute n. a. Professor N. E. Zhukovsky, Zhukovsky sity

Abstract: Antenna array for measurements of sound pressure is developed on the base of technology and construction thin film capacitive sensors. Array with three or more sensors allows to measure pressure, oscillation velocity and sound intensity.

Keywords: consonant wave, antenna sieve, diagram direction, phase, ray fractions, pressure, velocity, distant, field, sensors.

ВВЕДЕНИЕ

Акустические наблюдения включают в себя обнаружение целей, измерение параметров принимаемой от них звуковой волны, характеризующей относительное положение и скорости объектов наблюдения. Зву-колокация основана на использовании механических колебаний звуковой волны упругой среды.

В пространственной структуре звуковых полей содержится искаженная информация о физических механизмах образования и распространения акустического давления (шума). Известно, что большая часть этой информации теряется при использовании одноточечных измерений, при которых отбрасываются данные о фазовых соотношениях. Не всегда удается получить исчерпывающую информацию о пространственной структуре поля при использовании двухканальных методов измерений.

Акустической антенной из трех пленочных емкостных чувствительных элементов (ЧЭ) или из трех микрофонов и более с их эквидистатным расположением можно обеспечить направленный прием не только по звуковому давлению р(1), но и по колебательной скорости v(t) и интенсивности 1(1). Многоэлементная антенна в аэродинамическом эксперименте использована для исследования полей пульсаций давления, его спектральной характеристики [1—4].

Многоэлементная антенна позволяет измерять акустические поля методом акустической голографии ближнего поля и методами, основанными на использовании фазированных антенных решеток звуковой частоты дальнего и ближнего полей [1—2].

Антенная решетка (АР) также предназначена для направленного приема акустических сигналов на аэродромах при совместной эксплуатации (взле-

та и посадок) нескольких летательных аппаратов различных типов. Знание шумовых характеристик звукового давления местности позволяет выбрать оптимальный маршрут полета с целью обеспечения нормативных требований и эксплуатационных ограничений. Антенная решетка позволяет определить место нахождения подвижных и неподвижных объектов. АР могут найти применение в авиационной акустике, аэродинамике, энергетике, кораблестроении, железнодорожном транспорте, определении шумов на местности и т. д.

В настоящее время эти задачи с большим трудом и материальными затратами решаются с помощью современных датчиков, микрофонов, АР объемной конструкции, которые предлагается частично заменить на АР, разработанные на базе тонко-пленочных емкостных ЧЭ.

Для акустических измерений применяются известные микро-

фоны, линейные плоские и другие антенные микрофонные решетки, например микрофонные блоки РА—12МУ, построенные на шести миниатюрных элект-ретных микрофонах фирмы "Метравип" (Франция) [1—3].

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ АР НА ЕМКОСТНЫХ ЧЭ

Характерными недостатками АР, разработанных на базе известных микрофонов фирм "Метравип", "Брюль и Къер" (Дания), ЯРТ (Германия) и др., являются громоздкость, высокая стоимость и ненадежность. Стоимость такой антенны более, чем на порядок, превышает стоимость АР, разработанных на базе технологии тонкопленочных емкостных ЧЭ. Это можно объяснить тем, что на одной подложке одновременно изготавливают несколько десятков емкостных ЧЭ с минимальными отходами используемых материалов; отсутствием сложного технологического способа натяжения мембраны на основание датчика, а также сокращением времени сборки датчика. При этом уменьшается количество соединительных проводов от датчиков. Кроме того, для изготовления ЧЭ не требуется прецизионной технологической оснастки и специальных станков. Важно, что исследование аэродинамических процессов обеспечивается без дополнительной обработки поверхности изделий и без искажения условий обтекания на поверхности тонких моделей. Появляется возможность совместить эксперименты измерения полей давления в аэродинамической трубе с весовыми экспериментами [4, 5].

Проблема создания АР на базе тонкопленочных емкостных датчиков тесно связана с необходимостью повышения эффективности измерительной системы, позволяющей производить параллельный сбор, обработку и управление такими аэродинамическими процессами в газовом потоке, как турбулентный, ламинарный пограничные слои, области их перехода, скачки уплотнения, совмещая их измерения с одновременным проведением других видов экспериментов.

Принцип однонаправленного приема звукового давления акустической АР, построенной на тонкопленочных емкостных ЧЭ, состоит в определении изменения емкости межобкладоч-ного промежутка ЧЭ от упруго-пластичной деформации (в твердой среде) и изгиба (в газообразной среде) при воздействии звукового давления.

Целью работы является создание конструкции АР на базе тонкопленочных емкостных ЧЭ для однонаправленного приема звукового давления. Для достижения поставленной цели были разработаны и решены следующие задачи [4—6]:

— проработаны конструктивные варианты тонкопленочных емкостных датчиков звукового (пульсаций) давления; ЧЭ датчика выполнены из твердого, газообразного, пьезоэлектрического, пироэлектрического диэлектриков;

— выбраны конструкционные материалы;

— разработана технология изготовления тонкопленочных емкостных датчиков на основе полиимидной пленки

с использованием жидких и "сухих" клеев, а также на основе полиамидокислот-ных лаков для нанесения на сложные поверхности изделий с последующей термической обработкой;

— разработана технология монтажа датчиков на объектах;

— определены методики получения функции преобразования и измерения основных метрологических характеристик датчиков звукового давления;

— выработаны условия согласования, нормирования выходного сигнала с выходов емкостных датчиков [5].

КОНСТРУКЦИЯ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ НА ЕМКОСТНЫХ ЧЭ

На рис. 1 изображена конструкция АР на жесткой основе (объемной) для однонаправленного приема со схемой измерения звукового давления. Объединенная обкладка из п-го количества мембран 1 сформирована из целого куска антикоррозионной металлической пленки толщиной 2...200 мкм. Диаметр мембраны (верхняя обкладка) Б = 4...11 мм, диаметр нижней обкладки Б = 3...10 мм, толщина 8 от 2 до 10 мкм выбраны исходя из значения верхнего предела измеряемого давления с двукратной перегрузкой и в зависимости от физико-механических свойств материала. Это соотношение обеспечивает хорошую электрическую изоляцию между токоведущими частями АР. Отношение толщины металлической пленки ? к толщине мембраны 8 выбрано равным 0,2...100. Это обеспечивает работу емкостного ЧЭ в широком диапазоне заданного дав-

46

вепвогв & Эувгетв • № 7.2015

1

1

12

14

А—А

+ + + + +

+ + + +

1

+ + + + +

+ + + + + ф.

0

т.

Рис. 1. Конструкция акустической антенной решетки:

1 — мембраны; 2 — обкладки с выводами 3; 4, 10 — опорные отверстия; 5 — фоль-гированный диэлектрический лист с экраном 6; 7 — усилитель заряда; 8 — корпус с защитной сеткой; 9 — задняя крышка; 11 — разъемы; 12 — провод марки АВКТ-6; 13 — отражатель; 14 — электронный обрабатывающий блок, 15 — блок представления информации и управления, К — компаунд

ления и с линеинои градуиро-вочной характеристикой (между входом и выходом емкостного ЧЭ). Углубление на объединенной обкладке (^ = ? — 8) сформировано методом фотолитографии.

На двухстороннем фольги-рованном диэлектрическом листе 5 выполнены ответные обкладки 2 с выводами 3 и экран 6 (сеч. Б—Б на рис. 1). В качестве материала фольги можно выбирать медь, никель, фер-рум-никелевый сплав толщиной 20...50 мкм. Толщина диэлектрического листа от 3 до 10 мм из стандартного стеклотекстолита

или текстолита, применяемого для изготовления печатных плат в электронике. Опорные отверстия 4 под мембраной диаметром 0,2...0,3 мм сформированы лазерным лучом или сверлом (сеч. А—А на рис. 1).

Число емкостных ЧЭ по оси х и у в одном корпусе не ограничено. В конструкции АР эквидистантное расположение емкостных ЧЭ между собой формируют произвольно, и зависит оно от условия и характера проводимого эксперимента. Минимальное расстояние между емкостными ЧЭ по оси х и у может быть равным и неравным

между собой и задается из условия йу > йх > 8...14 мм. Число рядов по осям х и у также не ограничено, расположение ЧЭ может быть одно- и многорядным. Форму АР выбирают исходя из условия применения объекта. Она может быть прямоугольной, квадратной или в виде окружности.

Микросхема 7 соединена с внешней цепью герметичным разъемом 11, антивибрационным кабелем 12 и закреплена на фольгированном диэлектрическом листе. Виброизоляцию то-косъемных выводов 12 обеспечивает графитовый проводящий слой, находящийся между изоляцией и наружной оплеткой провода марки АВКТ-6, и низковязкий эластичный компаунд ЭЛК-12 (сеч. Б—Б, поз. К).

Компаундом ЭЛК-12 также загерметизированы разъемы 11 и скреплены монтажные провода между собой и основанием АР. Компаунд работоспособен при высоких вибрационных и ударных нагрузках в интервале температуры от —60 до 60 °С. Ответная задняя крышка 9 и корпус 8 АР (с защитной сеткой) соединены между собой и смонтированы в отражателе 13. Применение отр

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком