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EP2039215A1 - Elektroakustischer wandler - Google Patents

Elektroakustischer wandler

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Publication number
EP2039215A1
EP2039215A1 EP07763720A EP07763720A EP2039215A1 EP 2039215 A1 EP2039215 A1 EP 2039215A1 EP 07763720 A EP07763720 A EP 07763720A EP 07763720 A EP07763720 A EP 07763720A EP 2039215 A1 EP2039215 A1 EP 2039215A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sound
electroacoustic transducer
laser beam
transducer according
laser
Prior art date
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Granted
Application number
EP07763720A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2039215B1 (de
Inventor
Balthasar Fischer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
XARION Laser Acoustics GmbH
Original Assignee
NXP BV
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Filing date
Publication date
Application filed by NXP BV filed Critical NXP BV
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Application granted granted Critical
Publication of EP2039215B1 publication Critical patent/EP2039215B1/de
Active legal-status Critical Current
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R23/00—Transducers other than those covered by groups H04R9/00 - H04R21/00
    • H04R23/008—Transducers other than those covered by groups H04R9/00 - H04R21/00 using optical signals for detecting or generating sound

Definitions

  • the novel microphone uses the influence of sound waves, more precisely their pressure fluctuations, on the speed of light of a laser beam, which traverses the medium of the sound field.
  • the change in the speed of light ⁇ c is proportional to the sound pressure p.
  • this small change .DELTA.c can be determined and then converted into an electrical signal proportional to the sound pressure. This is the output of the new microphone.
  • the sound pressure deforms elastic components, e.g. a membrane.
  • the deformation is converted into the electrical measurement signal.
  • Sensitive, accurate and low-noise microphones are usually not sufficiently small and thus disturb the sound field to be measured.
  • the speed of light in air decreases by 0.9 m / s when the air pressure is increased by 1 Pa.
  • the one beam After the division at the mirror B, the one beam is guided through the sound field S on the path of the length Li.
  • the other beam passes through the sound-isolated housing G on the path of length L2. Heath rays interfere behind the mirror C.
  • the detector H determines the intensity of the light and outputs a proportional electrical signal.
  • the source of radiation is a laser diode made of a powerful green laser pointer. It is a diode-pumped neodymium yttrium aluminum garnet laser (Nd: YAG laser) with frequency doubling. The wavelength is 532 nm, the output power is a maximum of 5 mW.
  • the laser has been removed from the housing and mounted on the optical table by means of a holder element.
  • beam splitter cubes are used, since they separate the beam cleaner, in comparison to a semitransparent mirror, ie do not cause any secondary reflections.
  • silvered mirrors are used to achieve the highest possible reflectance.
  • the detector is a photodiode that provides an output signal of 0.4 A / W with an already integrated preamplifier (Newport Battery Biased Silicon Pin Detector). The output of the detector is fed to a digital storage oscilloscope (Tektronix TDS220).
  • the sound source is an Elac TM speaker connected to a small amplifier.
  • the signals are generated by a function generator (KR-Lab Sweep Generator F 47).
  • three sine tones generated by the tone generator at 500 Hz, 1 kHz and 2 kHz were measured by the diaphragmless microphone and displayed on the oscilloscope as a function of time.
  • the microphone could be made small, robust and compact. His influence on the sound field would then be low.
  • the principle of the invention can also be used in other media than air for sound measurement. - Thanks to the interference method between the two laser beams, changes in air pressure (weather, working altitude) have no effect.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Electrostatic, Electromagnetic, Magneto- Strictive, And Variable-Resistance Transducers (AREA)
  • Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

Elektroakustischer Wandler mit einer Laserquelle A und einem Lichtempfänger H, wobei ein Schallfeld S vorgesehen ist, mit welchem die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Laserstrahls, während dieser das Schallfeld S durchquert, entsprechend dem Schalldruck modulierbar ist.

Description

ELEKTROAKUSTISCHER WANDLER
1. Gegenstand der Erfindung
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.
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 p . 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
Bei den heute verwendeten Mikrofonen (Schallwandlern) verformt der Schalldruck elastische Bauteile, z.B. eine Membran. Die Verformung wird in das elektrische Messsignal umgewandelt.
Sehr verbreitet ist das dynamische Mikrofon, bei dem die
Auslenkung der Membran eine Spannung in einer Spule induziert . Die grosste 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
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 μPa, Schmerzgrenze 100 Pa) und in dem weiten Frequenzbereich (20 Hz bis 20 kHz) zuverlässig zu kompensieren.
Die mechanischen Systeme sprechen auch auf Körperschall und auf Luftströmungen an, was zu Störsignalen führen kann.
Empfindliche, genaue und rauscharme Mikrofone sind in der Regel nicht hinreichend klein und stören so das zu messende Schallfeld.
Bei den elektrisch messenden Systemen (Kondensator, Tauchspule) können elektromagnetische Streufelder das Ausgangssignal beeinträchtigen.
4. Aufgabe
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
Die Lichtgeschwindigkeit in einem Medium ist
CM=~ (D
c: Lichtgeschwindigkeit im Vakuum c = 3* 10^ ms n: Brechzahl des Mediums
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 -lO"6 grösser als die Brechzahl 1 im Vakuum.
Mit dem Druck ändert sich auch die Brechzahl etwa wie
doch abhängig von der Lichtwellenlänge. Damit ändert sich auch die Lichtgeschwindigkeit (Gl. 1) gemäss:
. -c dn .
(3) n2 Φ
Beispielsweise nimmt die Lichtgeschwindigkeit in Luft um 0,9 m/s ab, wenn der Luftdruck um 1 Pa erhöht wird.
Die Veränderung der Lichtgeschwindigkeit nach Gl. 3 kann benützt werden, um den Schalldruck zu bestimmen: Δc des Lichtstrahls ist proportional zum Schalldruck p in dem durchquerten Schallfeld. 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.
Nach der Teilung am Spiegel B wird der eine Strahl auf dem Weg der Länge Li durch das Schallfeld S geführt. Der andere Strahl verläuft auf dem Weg der Länge L2 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.
Die beiden Strahlen werden durch die zwei Wellengleichungen beschrieben:
Ei = A cos(ωt - Liki) (4)
E2 = A cos(ωt - L2k2) (5)
A: Amplitude ω: Kreisfrequenz ω = 2πv; v: Frequenz des Lichts Li: Weg zwischen den Spiegeln im Schallfeld S L2: Weg im schallisolierten Gehäuse G
(Anmerkung: Die übrigen Lichtwege werden als gleich lang angenommen. Sie sind dann für die Rechnung ohne Einfluß)
Jc1: Wellenzahl im Schallfeld (6)
(Anmerkung: Die Reihe darf nach dem ersten Glied abgebro-
Δc chen werden, weil — sehr klein ist gegen 1)
k2: Wellenzahl im geschützten Gehäuse k2 =— =— (7)
K CM λi und X2 '• Wellenlängen
Am Empfänger herrscht eine Lichtintensität I proportional zu (E1 + E2)2. Wegen der zeitlichen Mittelung über eine Lichtperiode fällt die Zeitabhängigkeit fort und für die Intensität am Empfänger ergibt sich
Trigonometrische Umformung
J = IQ -JQ ( 10 )
Über dem Gangunterschied (L^ - L2) läßt sich {Li—Lq) auf
jeden Wert zwischen 0 und 2π einstellen, wobei Vielfache von 2% dazu addiert werden dürfen. Wird dafür der Wert
(Z1-Z2) = gewählt (z ganze Zahl), so verschwindet die Cosinus-Funktion.
Es bleibt lediglich
Z1 Ac
J = JQ -JQ sin<2;r (H) λ cM
Hierbei tritt — mit der Wellenlänge λ an die Stelle von λ cM
Weil das Argument der Sinus-Funktion sehr klein gegen 1 ist, kann sie näherungsweise durch ihr Argumentersetzt werden.
Die Abnahme der Intensität IQ - I (gemessen am Empfänger) 1O - 1 = 1Q -, ( 12 ) λ cM
Sie ist proportional zur Änderung der Lichtgeschwindigkeit Δc und zur Länge L]_ des Lichtwegs im Schallfeld. Wegen Gl. (3) ist sie dann auch proportional zum Schalldruck p . 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.
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.
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 Speicher- oszilloskop (Tektronix TDS220) zugeführt. 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.
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
Überraschenderweise gelingt es bereits mit der Experimen- tierform 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.

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Elektroakustischer Wandler mit einer Laserquelle und einem Lichtempfänger, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schall- feld vorgesehen ist, mit welchem die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Laserstrahls, während dieser das Schallfeld durchquert, entsprechend dem Schalldruck modulierbar ist.
2. Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, insbesondere membranloses Mikrophon, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation der Ausbreitungsgeschwindigkeit des Laserstrahls durch Interferenz mit einem kohärenten Laserstrahl nachweisbar ist, wobei der zweite Laserstrahl einen etwa gleich langen Weg zurücklegt, jedoch durch ein Gehäuse vor dem einfallenden Schall geschützt ist, wobei vorzugsweise eine Gehäuseöffnung den Druckausgleich mit der Atmosphäre gewährleistet .
3. Elektroakustischer Wandler gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gangunterschied zwischen den beiden Laserstrahlen auf λ/4 + λz einstellbar ist, wobei z ganzzahlig ist.
4. Elektroakustischer Wandler gemäß den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Laserstrahlen aus einem gepulsten Laserstrahl durch einen Strahlteiler entstehen, wobei die Pulsfrequenz oberhalb des Hörbereichs liegt.
5. Elektroakustischer Wandler gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, insbesondere membranloses Mikrophon, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Laserstrahlen jeweils vielfach zwischen zwei planparallelen Spiegeln hin und her reflektiert werden, wobei das eine Spiegelpaar und sein Zwischenraum dem Schall ausgesetzt ist, wogegen das andere vor Schall geschützt ist.
6. Elektroakustischer Wandler gemäß den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das gepulste Licht der interferierenden Strahlen auf einen Detektor, beispielsweise einen Photoempfänger fällt und in ein elektrisches Signal verwandelt wird, wobei vorzugsweise durch eine Lock-In-Technik das Verhältnis von Ausgangssignal zu Rausch- und Störsignalen verbessert wird.
EP07763720.5A 2006-06-27 2007-06-26 Elektroakustischer wandler Active EP2039215B1 (de)

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EP2039215A1 true EP2039215A1 (de) 2009-03-25
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