1. Gegenstand der Erfindung
[0001] Die Erfindung betrifft die getreue Umwandlung von akustischen Signalen (Geräusche,
Sprache und Musik) in elektrische Signale. Die elektrischen Signale lassen sich dann
mit herkömmlichen Methoden übertragen oder speichern. Hier wird ein Mikrofon vorgestellt,
das die Schallwellen direkt in optische und danach in elektrische Signale umwandelt,
ohne dass die Hilfe beweglicher Bauteile wie beispielsweise einer Membran dazu nötig
wäre.
[0002] Dafür benützt das neuartige Mikrofon den Einfluss der Schallwellen, genauer ihrer
Druckschwankungen, auf die Lichtgeschwindigkeit eines Laserstrahls, der das Medium
des Schallfeldes durchquert. Die Änderung der Lichtgeschwindigkeit Δc ist proportional
zum Schalldruck
p̃. Mit Hilfe einer Interferenzanordnung kann diese kleine Änderung Δc bestimmt und
dann in ein dem Schalldruck proportionales elektrisches Signal gewandelt werden. Das
ist das Ausgangssignal des neuen Mikrofons.
2. Stand der Technik
[0003] Bei den heute verwendeten Mikrofonen (Schallwandlern) verformt der Schalldruck elastische
Bauteile, z.B. eine Membran. Die Verformung wird in das elektrische Messsignal umgewandelt.
[0004] Sehr verbreitet ist das dynamische Mikrofon, bei dem die Auslenkung der Membran eine
Spannung in einer Spule induziert. Die grösste Dynamik erreicht heute das Kondensatormikrofon,
bei dem die Verformung der Membran zu einer Änderung der Kapazität des Kondensators
führt. Seit kürzerer Zeit gibt es auch Mikrofone, bei denen optische Methoden (z.B.
Interferenz oder Reflexion) zur Messung der Membranauslenkung dienen. Stets sind bewegliche
oder verformbare Materialien involviert (Membran, Tauchspule, Bändchen, Kohlestaub).
3. Nachteile
[0006] Die mechanischen Systeme besitzen Eigenschwingungen und ihre Auslenkung ist beschränkt,
wodurch das elektrische Ausgangssignal teilweise verfälscht wird. Es ist schwierig,
solche Einflüsse in dem großen Druckbereich (Hörschwelle 20 pPa, Schmerzgrenze 100
Pa) und in dem weiten Frequenzbereich (20 Hz bis 20 kHz) zuverlässig zu kompensieren.
[0007] Die mechanischen Systeme sprechen auch auf Körperschall und auf Luftströmungen an,
was zu Störsignalen führen kann.
[0008] Empfindliche, genaue und rauscharme Mikrofone sind in der Regel nicht hinreichend
klein und stören so das zu messende Schallfeld.
[0009] Bei den elektrisch messenden Systemen (Kondensator, Tauchspule) können elektromagnetische
Streufelder das Ausgangssignal beeinträchtigen.
4. Aufgabe
[0010] Gewünscht wird ein Schallwandler, der die Schallwellen unverzerrt in elektrische
Signale umsetzt und dabei ohne bewegliche Bauteile auskommt. Er soll im gesamten hörbaren
Frequenzbereich und bei allen Lautstärken arbeiten.
5. Lösung
[0011] Die Aufgabe wird gelöst mit einem elektroakustischen Wandler gemäß Anspruch 1. Die
Lichtgeschwindigkeit in einem Medium ist
c: Lichtgeschwindigkeit im Vakuum c = 3·108 ms
n: Brechzahl des Mediums
[0012] Die Brechzahl von Luft bei 15°C und unter einem Druck von 0,101 MPa beträgt 1,000326
für Licht der Wellenlänge 0,2 µm und 1,000274 für Licht der Wellenlänge 1 µm. Sie
ist also für UV-Licht um 326·10
-6 und für IR-Licht um 274·10
-6 grösser als die Brechzahl 1 im Vakuum.
[0013] Mit dem Druck ändert sich auch die Brechzahl etwa wie
doch abhängig von der Lichtwellenlänge. Damit ändert sich auch die Lichtgeschwindigkeit
(Gl. 1) gemäss:
[0014] Beispielsweise nimmt die Lichtgeschwindigkeit in Luft um 0,9 m/s ab, wenn der Luftdruck
um 1 Pa erhöht wird.
[0015] Die Veränderung der Lichtgeschwindigkeit nach Gl. 3 kann benützt werden, um den Schalldruck
zu bestimmen: Δc des Lichtstrahls ist proportional zum Schalldruck
p̃ in dem durchquerten Schallfeld.
[0016] Mit Hilfe der Interferenz der zwei Hälften eines geteilten Laserstrahls kann diese
kleine Geschwindigkeitsänderung Δc bestimmt werden. In Fig. 1 ist der Aufbau schematisch
dargestellt.
[0017] Nach der Teilung am Spiegel B wird der eine Strahl auf dem Weg der Länge L
1 durch das Schallfeld S geführt. Der andere Strahl verläuft auf dem Weg der Länge
L
2 durch das schallisolierte Gehäuse G. Heide Strahlen interferieren hinter dem Spiegel
C. Der Detektor H bestimmt die Intensität des Lichts und gibt ein proportionales elektrisches
Signal.
[0019] Am Empfänger herrscht eine Lichtintensität I proportional zu (E
1 + E
2)
2.
[0020] Wegen der zeitlichen Mittelung über eine Lichtperiode fällt die Zeitabhängigkeit
fort und für die Intensität am Empfänger ergibt sich
[0021] Trigonometrische Umformung
[0022] Über dem Gangunterschied (L
1 - L
2) läßt sich
auf jeden Wert zwischen 0 und 2π einstellen, wobei Vielfache von 2π dazu addiert
werden dürfen. Wird dafür der Wert
gewählt (z ganze Zahl), so verschwindet die Cosinus-Funktion.
[0023] Es bleibt lediglich
[0024] Hierbei tritt
mit der Wellenlänge λ an die Stelle von
[0025] Weil das Argument der Sinus-Funktion sehr klein gegen 1 ist, kann sie näherungsweise
durch ihr Argumentersetzt werden.
[0026] Die Abnahme der Intensität I
0 - I (gemessen am Empfänger)
[0027] Sie ist proportional zur Änderung der Lichtgeschwindigkeit Δc und zur Länge L
1 des Lichtwegs im Schallfeld. Wegen G1. (3) ist sie dann auch proportional zum Schalldruck
p̃. Auf dieser Proportionalität von Schalldruck und Änderung der Intensität am Empfänger
beruht die Funktion des vorgeschlagenen Mikrophons ohne Membran.
6. Die Erfindung wird an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf die Zeichnung
näher erläutert.
[0028] Ein Prototyp eines membranlosen Mikrophons mit Hilfe von Lichtinterferenz existiert
derzeit noch nicht. Hingegen konnte das Prinzip, wie es unter 5. Lösung beschrieben
ist, anhand eines Versuchsaufbaus gemäß Fig. 1 bestätigt werden. Als Strahlenquelle
dient eine Laserdiode aus einem leistungsstarken grünen Laserpointer. Es handelt sich
um einen diodengepumpten Neodym Yttrium-Aluminium-Granat Laser (Nd: YAG-Laser) mit
Frequenzverdoppelung. Die Wellenlänge beträgt 532 nm, die Ausgangsleistung beträgt
maximal 5 mW.
[0029] Der Laser ist aus dem Gehäuse ausgebaut worden und mittels eines Halterelements auf
dem optischen Tisch montiert. Zur Strahlteilung werden sogenannte
beamsplitter cubes eingesetzt, da sie im Vergleich zu einem halbdurchlässigen Spiegel den Strahl sauberer
auftrennen, d.h. keine Sekundärreflexionen verursachen. Ferner werden versilberte
Spiegel verwendet, um eine möglichst hohe Reflektanz zu erzielen. Beim Detektor handelt
es sich um eine Photodiode, die mit einen bereits integrierten Vorverstärker ein Ausgangssignal
von 0,4 A/W liefert (Newport Battery Biased Silicon Pin Detector). Das Ausgangssignal
des Detektors wird einem digitalen Speicheroszilloskop (Tektronix TDS220) zugeführt.
[0030] Als Schallquelle kommt ein Elac™ Lautsprecher, angeschlossen an einen kleinen Verstärker,
zum Einsatz. Die Signale werden durch einen Funktionsgenerator (KR-Lab Sweep Generator
F 47) erzeugt.
[0031] Beispielsweise wurden drei von dem Tongenerator erzeugte Sinustöne mit 500 Hz, 1
kHz und 2 kHz von dem membranlosen Mikrofon gemessen und auf dem Oszilloskop als Funktion
der Zeit dargestellt.
7. Vorteile der Erfindung
[0032]
- Überraschenderweise gelingt es bereits mit der Experimentierform des neuen Mikrofons,
Schallsignale ohne Hilfe bewegter Teile (Membranen), also ohne Mechanik, in elektrische
Signale umzuwandeln.
- Nach der notwendigen Entwicklung, könnte das Mikrofon klein, robust und kompakt gebaut
werden. Sein Einfluss auf das Schallfeld wäre dann gering.
- Weil das Mikrofon optisch arbeitet, haben elektromagnetische Störfelder kaum Einfluss.
- Das Prinzip der Erfindung kann auch bei anderen Medien als Luft für die Schallmessung
eingesetzt werden.
- Dank der Interferenzmethode zwischen den beiden Laserstrahlen bleiben Änderungen des
Luftdrucks (Wetter, Arbeitshöhe) ohne Einfluss.
1. Elektroakustischer membranloser Wandler mit:
einer Laserquelle (A);
einen Detektor (H) mit einem optischen Empfänger;
zwei Paaren von planparallelen unbeweglichen Spiegeln einem Strahlteiler (B), der
einen Laserstrahl einer Laserquelle (A) in einen ersten Strahl und einen zweiten Strahl
aufteilt;
einem Schallfeld (S), durch welches der erste Stahl geführt wird; und
einem schallisolierten Gehäuse (G), durch welches der zweite Strahl verläuft;
wobei die Ausbreitungsgeschwindigkeit des ersten Strahls sich entsprechend dem Schalldruck
im Schallfeld (S) ändert, wobei der Detektor (H) ein elektrisches Signal erzeugt,
das wenigstens von der Änderung der Ausbreitungsgeschwindigkeit des ersten Strahls
abhängt,
wobei beide Strahlen jeweils mehrfach zwischen den zwei Paaren von planparallelen
unbeweglichen Spiegeln (z.B. D, E) reflektiert werden, und das eine Spiegelpaar (D,
E) und sein Zwischenraum dem Schall ausgesetzt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Spiegelpaar und sein Zwischenraum vor Schall geschützt ist.
2. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation der Ausbreitungsgeschwindigkeit des ersten Strahls durch Interferenz
mit dem zweiten Strahl erfasst wird.
3. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, wobei ein Gangunterschied zwischen den
beiden Laserstrahlen auf λ/4 +λz einstellbar ist, wobei z ganzzahlig ist.
4. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsfrequenz der Laserquelle (A) oberhalb des Hörbereichs liegt.
5. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, bei dem das Gehäuse (G) eine Öffnung für
einen Druckausgleich zwischen dem Gehäuseinneren und der umgebenden Atmosphäre aufweist.
1. An electroacoustic membrane-free transducer having:
a laser source (A);
a detector (H) having an optical receiver;
two pairs of plane-parallel immovable mirrors
a beam splitter (B), which splits a laser beam of a laser source (A) into a first
beam and a second beam;
a sound field (S), through which the first beam is guided; and
a sound-insulated housing (G), through which the second beam runs;
the propagation speed of the first beam changing in accordance with the sound pressure
in the sound field (S), the detector (H) generating an electrical signal, which depends
at least on the change of the propagation speed of the first beam,
both beams being reflected multiple times in each case between the two pairs of plane-parallel
immovable mirrors (e.g. D, E), and the one mirror pair (D, E) and the intermediate
space thereof being exposed to the sound,
characterized in that the second mirror pair and the intermediate space thereof is protected from sound.
2. The electroacoustic transducer according to Claim 1, characterized in that the variation of the propagation speed of the first beam is detected by means of
interference with the second beam.
3. The electroacoustic transducer according to Claim 1, wherein a path difference between
the two laser beams can be set to λ/4 +λz, wherein z is an integer.
4. The electroacoustic transducer according to Claim 1, characterized in that the pulse rate of the laser source (A) is above the audible range.
5. The electroacoustic transducer according to Claim 1, in which the housing (G) has
an opening for a pressure equalization between the housing interior and the surrounding
atmosphere.
1. Transducteur électroacoustique sans membrane avec :
une source laser (A),
un détecteur (H) avec un récepteur optique,
deux paires de miroirs parallélépipédiques immobiles,
un séparateur de faisceau (B), qui divise un faisceau laser d'une source laser (A)
en un premier faisceau et un deuxième faisceau,
un champ acoustique (S) à travers lequel le premier faisceau est guidé, et
un boîtier insonorisé (G), à travers lequel passe le deuxième faisceau,
la vitesse de propagation du premier faisceau variant selon la pression acoustique
dans le champ acoustique (S), le détecteur (H) générant un signal électrique, qui
dépend au moins de la variation de la vitesse de propagation du premier faisceau,
les deux faisceaux étant respectivement réfléchis plusieurs fois entre les deux paires
de miroirs (par.: D, E) parallélépipédiques immobiles et une paire de miroirs (D,
E) et son espace intermédiaire étant exposés au son, caractérisé en ce que la deuxième paire de miroirs et son espace intermédiaire sont protégés du son.
2. Transducteur électroacoustique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la variation de la vitesse de propagation du premier faisceau est saisie par interférence
avec le deuxième faisceau.
3. Transducteur électroacoustique selon la revendication 1, une différence de chemin
entre les deux faisceaux laser pouvant être réglée à λ/4 + λz, z étant un nombre entier.
4. Transducteur électroacoustique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la fréquence de pulsion de la source laser (A) se situe au-dessus de la gamme acoustique.
5. Transducteur électroacoustique selon la revendication 1, pour lequel le boîtier (G)
comporte une ouverture pour une compensation de pression entre l'intérieur du boîtier
et l'atmosphère environnante.