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Die Erfindung betrifft eine Mikrofonanordnung zum Messen von Schallsignalen, insbesondere in heißen Umgebungen.
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Im Stand der Technik sind Kondensatormikrofone bekannt, die in einem Frequenzbereich von einigen Hz bis zu mehreren kHz hinsichtlich einer Schalldruckamplitude eine hohe Dynamik aufweisen. Diese Mikrofone sind jedoch in heißen Umgebungen, d. h. in Umgebungen von mehreren 100°C, nicht einsetzbar, da eine in unmittelbarer Nähe der in den Kondensatormikrofonen verwendeten Membran angeordnete Elektronik solch hohe Temperaturen nicht verträgt.
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Aus dem Stand der Technik sind ferner Vorrichtungen zum Erfassen von Schallsignalen bekannt, die Schalldrücke mit Hilfe von Piezokristallen erfassen. Diese weisen jedoch jeweils nur eine beschränkte Dynamik hinsichtlich der nachzuweisenden Schalldruckpegel auf. Um größere Bereiche dynamisch zu erfassen, sind somit mehrere Sensoren zu verwenden. Ein Anschluss der unterschiedlichen dynamischen Bereiche ist häufig schwierig oder gar nicht möglich. Darüber hinaus ist eine Erfassung von Signalen mit Schalldrücken unter 90 dB mit piezoelektrischen/piezoresistiven Kristallen nicht möglich.
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Aus dem Stand der Technik sind darüber hinaus Systeme bekannt, bei denen eine Membranschwingung optisch abgetastet wird. Hierfür ist eine Seite der Membran reflektierend ausgeführt. Durch die Auslenkung der Membran wird ein zurückgelegter Weg verändert, der von dem an der reflektierenden Seite reflektierten Licht durchlaufen wird. Bringt man das reflektierte Licht mit Licht gleicher Frequenz und stabiler Ausgangsphasenbeziehung zur Interferenz, so kann man anhand des Interferenzmusters eine Auslenkung der Membran ableiten. Ein Wechsel von konstruktiver Interferenz zu destruktiver Interferenz zwischen den beiden Lichtstrahlen entspricht einer Auslenkung der Membran um eine Wegstrecke, die einer viertel Wellenlänge des verwendeten Lichts entspricht. Eine solche Vorrichtung, die extrem hohe Schalldrücke messen kann, ist in einem Beitrag Matthew E. Palmer et al. mit dem Titel ”Un-cooled Fiber-Optic Pressure Sensor for Gas Turbine Engines, Operation to 1922°F and 500psig.”, 44th AIAA Aerospace Sciences Meeting and Exhibit, 9.–12. Januar 2006, Reno, Nevada, USA beschrieben.
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Aus der
US 6,483,619 B1 ist ein optisches Interferenzmikrofon bekannt, welches ein Rückelement, ein Diaphragma und einen Luftspalt zwischen dem Rückelement und dem Diaphragma aufweist. Das Diaphragma umfasst ferner eine Vielzahl von Löchern. Das Mikrofon nutzt die optische Interferenz, um die schallinduzierte Bewegung des Diaphragmas zu erfassen. Eine Lichtquelle und ein Detektor können als Komponenten in das Mikrofon integriert sein oder beabstandet und getrennt ausgebildet sein und mit dem Mikrofon über eine optische Faser verbunden sein.
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Ferner ist aus der
DE 696 01 083 T2 ein passiver akusto-optischer Modulator zur Modulation eines Lichtstrahls als Funktion einer Luftdruckänderung bekannt: mit einem Strahlteiler, der in Bezug auf den Strahl so angeordnet ist, dass er einen Signalstrahl und einen Referenzstrahl erzeugt; mit einem Lichtmodulator, der den Signalstrahl moduliert und eine bewegbare ungefähr ebene optische reflektierende Oberfläche aufweist, wobei die reflektierende Oberfläche in einer Ruheposition mit einem vorbestimmten Abstand ungefähr parallel gegenüber dem Strahlteiler und einem piezoelektrischen Element angeordnet ist, wobei das piezoelektrische Element so mit der reflektierenden Oberfläche verbunden ist, dass die reflektierende Oberfläche sich bewegt, wenn ein elektrisches Potential an das piezoelektrische Element angelegt wird; und mit einer Umwandlungsvorrichtung, die Luftdruckänderungen in entsprechende Signaländerungen zur Steuerung des Lichtmodulators umwandelt; wobei die Anordnung den modulierten Signalstrahl mit dem Referenzstrahl rekombiniert und konstruktive oder destruktive Interferenz erzeugt.
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Aus dem Stand der Technik sind des Weiteren Sensoren mit einem Mach-Zehnder-Aufbau bekannt, bei denen erneut Licht durch eine Faser geführt wird, die beabstandet von einer reflektiven Membran endet. In diesem Fall wird das von der Membran zurückreflektierte und durch die Faser zurückgeleitete Licht mit einem frequenzverschobenen Lichtstrahl zur Interferenz gebracht, der beispielsweise mittels eines Akusto-Optischen-Modulators erzeugt ist, der mit einem aus dem ursprünglichen Lichtstrahl ausgekoppeltem Lichtanteil gespeist wird. Ein solches Interferometer ist jedoch gegenüber Vibrationen sehr anfällig, da der durch den Akusto-Optischen-Modulator erzeugte Referenzlichtstrahl einen gänzlich anderen Lichtpfad gegenüber dem Messlichtstrahl oder Abtastlichtstrahl durchläuft.
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Ferner sind für diesen Aufbau polarisationserhaltende Singlemode-Fasern notwendig, die nur eine Temperaturbeständigkeit bis etwa 300°C aufweisen.
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Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, eine Mikrofonanordnung zu schaffen, die bei hohen Temperaturen eingesetzt werden kann und eine hohe dynamische Auflösung hinsichtlich der Schallamplitude aufweist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Die Erfindung beruht auf dem Prinzip, zwei Lichtstrahlen unterschiedlicher Frequenz bzw. Wellenlänge durch eine Singlemode-Lichtleiterfaser zu schicken. Jeweils wird ein Teil des Lichts an einer Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters und ein anderer Teil an einer reflektierenden Seite einer Membran reflektiert und zurück in den Lichtleiter reflektiert. Diese beiden reflektierten Lichtanteile bilden ein Interferenzsignal, welches auf einen photoempfindlichen Detektor geführt wird, um dieses zu detektieren. Indem zeitversetzt Licht unterschiedlicher Frequenzen (Wellenlängen) in dem Interferometer zur Interferenz gebracht wird, weisen die zeitversetzt gemessenen Interferenzsignale gegeneinander eine unterschiedliche Phase auf. Dies bedeutet, dass die beiden Interferenzsignale bei unterschiedlichen Auslenkungen eine konstruktive bzw. destruktive Interferenz aufweisen. Hierdurch lässt sich bei einer Auswertung der Interferenzsignale eine Sensitivität hinsichtlich einer Detektion der Auslenkungsamplitude der Membran, die durch den nachzuweisenden Schall angeregt wird, verbessern. Für das Licht einer Wellenlänge ähnelt die Stahlführung einer solchen in einem extrinsichen Fabry-Perot-Interferometer. Insbesondere wird eine Mikrofonanordnung vorgeschlagen, die umfasst: mindestens eine Lichtquelle, die Licht einer ersten Frequenz (Wellenlänge) erzeugt, einen Lichtleiter mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, eine Membran, die durch nachzuweisenden Schall auslenkbar ist und deren eine Seite reflektierend ist, einen photoempfindlichen Detektor sowie eine mit dem Detektor gekoppelte Auswerteelektronik, wobei das Licht der ersten Frequenz (Wellenlänge) geführt ist, um in das erste Ende des Lichtleiters eingekoppelt zu werden, und die Membran in einem vorgegebenen Abstand relativ zu dem zweiten Ende des Lichtleiters angeordnet ist, so dass aus dem zweiten Ende des Lichtleiters austretendes Licht an der reflektierenden Seite der Membran zurück in den Lichtleiter reflektiert wird, wobei der Lichtleiter ausgebildet ist, dass an einer Lichtaustrittsfläche des zweiten Endes ein Teil des Lichts zurück in den Lichtleiter reflektiert wird und zumindest ein Teil des durch den Lichtleiter zurückgeführten Lichts auf den photoempfindlichen Detektor geführt ist, so dass ein Interferenzsignal des an der Membran reflektierten Lichts und des an der Lichtaustrittsfläche an dem zweiten Ende des Lichtleiters reflektierten Lichts erfasst wird und die Elektronik aus dem Interferenzsignal das Schallsignal ableitet, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umschaltvorrichtung vorgesehen ist, alternierend zeitversetzt zu dem Licht der ersten Frequenz (Wellenlänge) Licht einer zweiten, von der ersten Frequenz (Wellenlänge) verschiedenen Frequenz (Wellenlänge) in den Lichtleiter einzukoppeln, welches an der Membran und der Lichtaustrittsfläche an dem zweiten Ende des Lichtleiters reflektiert, durch den Lichtleiter zurückgeführt und zumindest zum Teil als Interferenzsignal auf den photoempfindlichen Detektor geführt und erfasst wird, wobei eine Umschaltfrequenz höher als eine Frequenz des zu detektierenden Schallsignals ist und die Auswerteelektronik anhand der detektierten Signalstärken eine Amplitude des nachzuweisenden Schallsignals weiter aufgelöst ableitet. Die Mikrofonanordnung kann so ausgeführt werden, dass eine Polarisationserhaltung in dem Lichtleiter nicht erforderlich ist. Obwohl zwei unterschiedliche Lichtsignale mit verschiedenen Frequenzen (Wellenlängen) verwendet werden, kann ein gemeinsamer Detektor genutzt werden. Zu einem Zeitpunkt ist jeweils nur Licht einer Frequenz (Wellenlänge) in dem Interferometer. Der Aufbau stellt ein sogenanntes extrinsisches Faby-Perot-Interferometer dar, dass einen Etaloneffekt zur Bestimmung der Auslenkung nutzt.
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Vorzugsweise ist der vorgegebene Abstand L zwischen dem zweiten Ende des Lichtleiters und der Membran (in ihrem Ruhezustand) gemäß der Formel: L = c / 8·Δν gegeben, wobei c die Geschwindigkeit des Lichts ist, Δν der Frequenzunterschied zwischen dem Licht mit der ersten Frequenz (Wellenlänge) und dem Licht mit der zweiten Frequenz (Wellenlänge) ist. Der Frequenzunterschied Δν bezogen auf die Frequenz ν0 des Lichts mit der ersten Frequenz (Wellenlänge) ist sehr klein, vorzugsweise in der Größenordnung von 10–6. Dies bedeutet, dass eine Frequenzabweichung für Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich in der Größenordnung von einigen 10 MHz bis einigen 100 MHz gewählt ist
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Die Auswerteelektronik ist so ausgebildet, dass die detektierten Signalstärken für die unterschiedlichen Lichtwellenlängen separiert werden. Hierzu kann ein Signal der Umschaltvorrichtung verwendet werden. Ist der vorgegebene Abstand geeignet, wie oben erwähnt, gewählt, so werden aus den Signalstärken Quotienten gebildet und von den Quotienten jeweils ein Arkustangens berechnet, der ein Mail für die Amplitude der Membran angibt. In erster Nährung können somit die zeitlich nacheinander erfassten Intensitäten der Interferenzsignale für die unterschiedlichen Lichtwellenlängen verwendet werden, um die Amplitude zu berechnen.
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Da die Frequenzen der Schallsignale, die ausgewertet werden sollen, jedoch eine sehr viel geringere Frequenz als eine Umschaltfrequenz aufweisen, ist bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Auswerteelektronik so ausgebildet ist, dass die Signalstärken für das Licht der beiden Frequenzen (Wellenlängen) für Zeitintervalle, in denen jeweils die Signalstärke für die andere Frequenz (Wellenlänge) detektiert wird, über eine Interpolation bestimmt und in die Quotientenbildung jeweils eine interpolierte Signalstärke einbezogen wird. Zur Interpolation können unterschiedliche Verfahren verwendet werden. Die einfachste Interpolation ist eine lineare Interpolation, bei der die beiden zeitlich angrenzend gemessenen Interferenzsignalstärken für die entsprechende Frequenz (Wellenlänge) des Lichts verwendet werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Umschaltvorrichtung eine Pockels-Zelle und einen polarisationsabhängigen Strahlteiler. Mit einer Pockels-Zelle, unter der hier ein Kristall verstanden wird, der bei Anlegen eines elektrischen Felds eine Polarisationsrichtung des hindurchtretenden Lichts ändert, kann die Polarisationsrichtung des durch sie durchtretenden Lichts um 90° gedreht werden. Handelt es sich bei der Lichtquelle beispielsweise um einen im Singlemodebetrieb betriebenen Laser, der einen Laserstrahl erzeugt, so kann die Polarisationsrichtung durch die Pockels-Zelle je nach Schaltzustand um 90° gedreht oder nicht gedreht werden. Wird hinter der Pockels-Zelle ein polarisationsabhängiger Strahlteiler angeordnet, so wird der Lichtstrahl in Abhängigkeit von dem Schaltzustand der Pockels-Zelle durch den Strahlteiler abgelenkt oder kann diesen passieren.
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Einen besonders kompakten Aufbau kann man erreichen, wenn das Licht der zweiten Frequenz (Wellenlänge) mit einem Akusto-Optischen-Modulator (AOM) aus dem Licht der ersten Frequenz (Wellenlänge) erzeugt wird. Wird der Akusto-Optische-Modulator beispielsweise im Strahlengang des Lichts angeordnet, welches durch den polarisationsabhängigen Strahlteiler in einem Schaltzustand der Pockels-Zelle abgelenkt wird, so wird durch den Akusto-Optischen-Modulator ein frequenzverschobenes Lichtsignal jeweils zu den Zeiten erzeugt, in denen das Licht der ersten Wellenlänge den polarisationsabhängigen Strahlteiler nicht passiert. Das frequenzverschobene Licht des Akusto-Optischen-Modulators wird über einen weiteren vorzugsweise polarisationsabhängigen Strahlteiler in den Strahlengang des Lichts der ersten Frequenz (Wellenlänge) ”eingekoppelt”. Somit wird dieses alternierend mit dem Licht der ersten Frequenz (Wellenlänge) in den Lichtleiter eingekoppelt.
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Bei einer anderen Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Licht der ersten Frequenz (Wellenlänge) von einer ersten Lichtquelle, vorzugsweise einer ersten Laserdiode, und das Licht der zweiten Frequenz (Wellenlänge) von einer zweiten Lichtquelle, vorzugsweise einer zweiten Laserdiode, erzeugt wird. Die Umschaltvorrichtung kann beispielsweise Pockels-Zellen mit nachgeordneten polarisationsabhängigen Strahlteilern umfassen.
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Um eine hohe Temperaturbeständigkeit des Lichtleiters zu erreichen, wird vorzugsweise eine mit Gold ummantelte Singlemode-Faser verwendet. Um eine hohe Messgenauigkeit zu erreichen, sind das zweite Ende des Lichtleiters und die Membran an einer gemeinsamen Halterung befestigt, in die vorzugsweise eine Linse eingesetzt ist, die für die Fokussierung des Lichtstrahls auf der Membran sorgt. Durch die Halterung ist gewährleistet, dass der vorgegebene Abstand konstant bleibt und somit keine Relativbewegungen zwischen Membran und Faser das Messsignal stören. Die Membran ist vorzugsweise aus hochtemperaturgeeigneten Werkstoffen gefertigt, z. B. Edelstahlfolien.
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Als photoempfindlicher Detektor eignet sich besonders eine Photodiode.
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Die Verwendung einer Lichtquelle und eines Akusto-Optischen-Modulators zum Erzeugen des Lichts mit der zweiten Frequenz (Wellenlänge) weist den Vorteil auf, dass sich Lichtquellenintensitätsschwankungen, die auf einer Zeitskala stattfinden, welche größer als eine Periodenlänge der Umschaltfrequenz zwischen den beiden Frequenzen (Wellenlängen) des Lichts ist, keinen Einfluss auf die Bestimmung der Amplitude haben.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf eine Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
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1 ein schematischer Aufbau einer Mikrofonanordnung;
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2 eine Darstellung der Mikrofonanordnung nach 1, in der ein erster Lichtpfad dargestellt ist;
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3 eine schematische Darstellung der Mikrofonanordnung nach 1, in der ein zweiter Lichtpfad dargestellt ist;
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4 eine grafische Darstellung eines Anregungssignals, eines Signals eines Photodetektors sowie hieraus abgeleiteter Interferenzsignale;
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5 ein Ausschnitt eines gemessenen Detektorsignals sowie daraus abgeleiteter Interferenzsignale;
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6 zwei Grafen, wobei in einem die Interferenzsignale überlagert gegen die Zeit aufgetragen sind und in dem anderen Grafen die Auslenkungsamplitude einer Membran gegen die Zeit aufgetragen ist;
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7 eine grafische Darstellung der Messergebnisse mit Hilfe einer Polardiagrammdarstellung, in der einzelne diskrete Messpunkte gezeigt sind;
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8 eine schematische Darstellung der experimentell ermittelten Auslenkung einer 2-Frequenzanregung, aufgetragen gegen die Zeit; und
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9 eine grafische Darstellung einer Fourieanalyse des Auslenkungssignals nach 8.
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In 1 ist schematisch eine Mikrofonanordnung 1 dargestellt. Die Mikrofonanordnung 1 umfasst eine Lichtquelle 2, welche vorzugsweise als Singlemode-Laser ausgeführt ist. Das von der Lichtquelle 2 erzeugte Licht 3 einer ersten Frequenz (Wellenlänge) weist eine festgelegte Polarisationsrichtung auf. Das Licht 3 der ersten Frequenz (Wellenlänge) wird durch eine Pockels-Zelle 4 geführt. Die Pockels-Zelle 4 ist eine optische Einrichtung, die in Abhängigkeit von einem elektrischen Schaltzustand eine Polarisationsrichtung des durch sie hindurchtretenden Lichts verändern kann. Das aus der Pockels-Zelle 4 austretende Licht 3 trifft auf einen polarisationsabhängigen Strahlteilerwürfel 5. In einem ersten Schaltzustand der Pockels-Zelle 4 ist ein Polarisationszustand des Lichts 3 so, dass das Licht den polarisationsabhängigen Strahlteilerwürfel 5 unabgelenkt passiert. Ein sich ergebender Strahlengang für diesen Schaltzustand ist in 2 dargestellt. In 2 ist somit die Mikrofonanordnung nach 1 erneut dargestellt, wobei sich die Pockels-Zelle in dem Schaltzustand befindet, in dem das Licht der ersten Frequenz (ersten Wellenlänge) zu der Membran geführt ist.
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Das Licht 3 tritt anschließend durch einen zweiten Strahlteilerwürfel 6 und einen dritten Strahlteilerwürfel 7 hindurch, wobei letzterer vorzugsweise aber nicht zwingend polarisationsabhängig ist. Anschließend wird das Licht 3 mittels einer ersten Linse 8 für eine Einkopplung in einen Lichtleiter 9 auf ein erstes Ende 10 abgebildet. Der Lichtleiter 9 ist vorzugsweise eine Singlemode-Faser. Diese ist bevorzugt mit einer Goldbeschichtung versehen. Hierdurch wird erreicht, dass der Lichtleiter 9 auch in Umgebungen eingesetzt werden kann, in denen hohe Temperaturen bis etwa 700°C herrschen. Das Licht 3 wird durch den Lichtleiter 9 zu einem zweiten Ende 11 des Lichtleiters geführt. An einer Lichtaustrittsfläche an dem zweiten Ende 11 des Lichtleiters 9 wird ein Anteil 3' des Lichts im Bereich von etwa 4% in den Lichtleiter 9 zurückreflektiert. Ein übriger Teil des Lichts tritt aus dem zweiten Ende 11 des Lichtleiters 9 aus und wird über eine zweite Linse 12 auf eine Rückseite 13 einer Membran 14 abgebildet. Die Rückseite 13 der Membran 14 ist zumindest schwach reflektierend ausgeführt, so dass zumindest ein Teil des auf die Rückseite 13 auftreffenden Lichts zurückreflektiert und über die zweite Linse 12 so abgebildet wird, dass ein Teil hiervon erneut in den Lichtleiter 9 eingekoppelt wird. Die zurückreflektierten Lichtstrahlen interferieren miteinander. Schematisch ist die Strahlführung zwischen dem zweiten Ende 11 und der Membran 14 in der Ausschnittsvergrößerung dargestellt, in der die zweite Linse 12 aus Gründen der Übersichtlichkeit weggelassen ist.
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Die zurückreflektierten Anteile 3', 3'' des Lichts treten an dem ersten Ende 10 aus dem Lichtleiter 9 aus und passieren erneut die erste Linse 8. Das Licht passiert erneut den dritten polarisierenden Strahlteilerwürfel 7 und wird an dem zweiten Strahlteilerwürfel 6 auf einen photoempfindlichen Detektor 15 gelenkt. Der photoempfindliche Detektor 15 ist bevorzugt eine Photodiode. Die Photodiode zeichnet ein Interferenzsignal auf, welches aus der Interferenz des an der Lichtaustrittsfläche an dem zweiten Ende 11 des Lichtleiters 9 reflektierten Lichts 3' und des an der Rückseite 13 der Membran 14 reflektierten Lichts 3'' resultiert. Das von dem photoempfindlichen Detektor 15 aufgenommene Intensitätssignal wird zeitaufgelöst von einer Auswerteelektronik 16 ausgewertet. Die Auswerteelektronik 16 ist mit einer Steuereinheit 17 verknüpft, die ebenfalls ein Umschalten der Pockels-Zelle 4 steuert. Die Pockels-Zelle 4 bildet gemeinsam mit dem ersten polarisierenden Strahlteilerwürfel 5 eine Umschalteinheit.
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Ist die Pockels-Zelle 4 in einem zweiten Schaltzustand, in dem die Polarisation des Lichts 3 der ersten Wellenlänge um 90° gegenüber dem anderen Schaltzustand verdreht wird, wird das aus der Pockels-Zelle 4 austretende Licht an dem polarisationsabhängigen Strahlteilerwürfel 5 reflektiert. Die entsprechende sich ergebende Strahlführung ist in 3 dargestellt. In 3 ist somit dieselbe Mikrofonanordnung in dem Zustand gezeigt, in dem die Pockels-Zelle 4 die Polarisationsrichtung des Lichts 3 um 90° gedreht hat, so dass das Licht 21 mit der zweiten Frequenz (zweiten Wellenlänge) zu der Membran geführt ist. Über einen ersten Spiegel 18 wird das Licht 3 erster Wellenlänge zu einem Akusto-Optischen-Modulator 19 geführt. Dieser bewirkt eine Frequenzverschiebung des Lichts, so dass aus dem Akusto-Optischen-Modulator 19 Licht 21 einer zweiten Frequenz (Wellenlänge) austritt. Dieses wird über einen zweiten Spiegel 20 und den dritten vorzugsweise polarisationsabhängigen Strahlteilerwürfel 7 analog zu dem Licht 3 der ersten Frequenz (Wellenlänge) in dem ersten Schaltzustand der Pockels-Zelle 4 in den Lichtleiter 9 eingekoppelt. Der weitere durchlaufende Lichtpfad des Lichts 21 der zweiten Frequenz (Wellenlänge) gleicht dem Lichtpfad, den das Licht 3 erster Frequenz (Wellenlänge) durchlaufen hat. An dem photoempfindlichen Detektor 15 wird somit erneut ein Interferenzsignal detektiert, zwischen einem an der Lichtaustrittsfläche an dem zweiten Ende 11 des Lichtleiters 9 reflektierten Lichtsignals 21' und einem an der Rückseite 13 der Membran 14 reflektierten Lichtsignals 21''. Das Interferenzsignal für das Licht 3, 21 einer der beiden Wellenlängen ist jeweils von einem Auslenkungszustand der Membran 14 parallel zur Lichtausbreitungsrichtung abhängig. Wird die Membran 14 durch nachzuweisenden Schall ausgelenkt, so verlängert oder verkürzt sich entsprechend der Auslenkung der Membran 14 eine Wegstrecke, die das an der Rückseite 13 der Membran 14 reflektierte Licht 3'', 21'' zurückzulegen hat. Für das an der Lichtaustrittsfläche an dem zweiten Ende 11 des Lichtleiters 9 reflektierte Lichtsignal 3', 21' ändert sich hingegen die zurückgelegte Wegstrecke nicht. Wird die Membran 14 um ein Viertel der Lichtwellenlänge ausgelenkt, so bewirkt dies eine Weglängenänderung für das an der Rückseite 13 der Membran 14 reflektierte Licht, welche einer Hälfte der Wellenlänge des Lichts entspricht. Wird ohne Beschränkung der Allgemeinheit angenommen, dass der an der Grenzfläche reflektierte Anteil 3', 21' mit dem an der Rückseite 13 der Membran 14 reflektierten Anteil 3'', 21'' konstruktiv interferiert, wenn die Membran 14 im nicht ausgelenkten Zustand ist, so tritt eine destruktive Interferenz auf, wenn die Membran um ein Viertel der Lichtwellenlänge ausgelenkt ist. Anhand der Interferenzsignale für die beiden Frequenzen (Wellenlängen) des Lichts kann somit eine Auslenkung der Membran zeitaufgelöst ausgewertet werden.
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Eine Verbesserung der Auswertung erreicht man dadurch, dass eine Umschaltung zwischen den Lichtstrahlen mit den unterschiedlichen Frequenzen (Wellenlängen) mit einer Frequenz vorgenommen wird, die deutlich höher als die Frequenz ist, mit welcher die Membran 14 ausgelenkt wird. An dem photoempfindlichen Detektor 15 werden die Interferenzsignale für die beiden Frequenzen (Wellenlängen) somit zeitlich alternierend ”abgetastet”. Aufgrund der Tatsache, dass die Frequenzen (Wellenlängen) sich unterscheiden, weisen die Interferenzsignale gegeneinander einen Phasenversatz auf. Dieser ist von einem Frequenzunterschied (Wellenlängenunterschied) und einem Abstand zwischen der Lichtaustrittsfläche an dem zweiten Ende 11 des Lichtleiters 9 und der Rückseite 13 der Membran 14 (im nicht ausgelenkten Zustand) abhängig. Legt man beispielsweise für Licht im roten Wellenlängenbereich mit einer Wellenlänge von etwa 640 nm einen Frequenzversatz Δν von 80 MHz über den Akusto-Optischen-Modulator fest, so kann der Abstand L zwischen der Lichtaustrittsfläche und der Rückseite der Membran entsprechend ermittelt werden. Durch den Frequenzunterschied soll aus dem zurückgelegten Weg L von der Lichtaustrittsfläche an dem zweiten Ende 11 des Lichtleiters 9 zu der Rückseite 13 der Membran 14 und zurück zu dem zweiten Ende 11 des Lichtleiters 9 ein Gangunterschied einer viertel Wellenlänge zwischen den Interferenzsignalen der beiden Frequenzen (Wellenlängen) auftreten. Da die durch den Akusto-Optischen-Modulator herbeigeführte Frequenzänderung im Verhältnis zur Grundfrequenz des Lichts sehr viel kleiner 1 ist (im Bereich von 10–6), können die unterschiedlichen Wellenlängen als identisch angenommen werden. Es gilt somit folgender formelmäßiger, wellenlängenunabhängiger Zusammenhang: L = c / 8·Δν, wobei c die Lichtgeschwindigkeit darstellt. Umgeformt ergibt sich hieraus beispielsweise bei einem Frequenzversatz des AOM um 80 MHz eine Länge L von etwa 47 cm. Wählt man einen Frequenzversatz von etwa 540 MHz, so verringert sich die Länge L auf etwa 7 cm.
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In 4 ist das gemessene Diodensignal 31 gegen die Zeit grafisch aufgetragen. Eine obere Einhüllende stellt das Interferenzsignal 32 für das Licht mit der ersten Frequenz (Wellenlänge) dar. Eine untere Einhüllende stellt das Interferenzsignal 33 für das Licht mit der zweiten Frequenz (Wellenlänge) dar. Darunter ist das akustische Anregungssignal 35 dargestellt.
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In 5 ist ein Ausschnitt der Signale 31, 32, 33 vergrößert dargestellt. Gut zu erkennen ist, dass das Diodensignal 31 mit einer hohen Frequenz, welche der Lichtumschaltfrequenz entspricht, zwischen dem Interferenzsignal 32 für das Licht der ersten Frequenz und dem Interferenzsignal 33 für das Licht mit der zweiten Frequenz wechselt.
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Extrahiert man die beiden Interferenzsignale aus 4 und stellt diese normiert und hochpassgefiltert zur Entfernung des Gleichanteils überlagert dar, so erhält man eine grafische Darstellung, wie sie schematisch in 6 gezeigt ist. Die Werte der beiden Interferenzsignale 32, 33 zum selben Zeitpunkt können als Koordinaten eines Punkts in einem Polardiagramm aufgefasst werden. Ein solches ist in 7 schematisch dargestellt. Da die beiden Interferenzsignale zeitlich alternierend abgetastet werden, ist es vorteilhaft, die Interferenzsignale jeweils für die Zeitintervalle, in denen das andere Interferenzsignal vermessen wird, zu interpolieren. In grober Näherung kann dies durch eine lineare Interpolation erfolgen. Trifft man Annahmen über das Anregungsspektrum, so können auch komplizierte Funktionen zur Interpolation verwendet werden.
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In 6 sind zwanzig Zeitpunkte über senkrechte Striche markiert und von links nach rechts von t1 bis t20 durchnummeriert. Die sich zu diesen zwanzig Zeitpunkten t1 bis t20 ergebenden Positionen i (i = 1...20) im Polardiagramm sind in 7 dargestellt. Bei einer sinusförmigen Anregung der Membran und einem idealen Phasenversatz zwischen den beiden Interferenzsignalen 32, 33 von 90° sowie identischer Intensität der Interferenzsignale 32, 33 erwartet man, dass der die Messwerte repräsentierende Punkt sich auf einem Kreis um den Nullpunkt bewegt. Im unteren Teil von 6 ist die Auslenkung 36 der Membran zeitlich koinzident aufgetragen. Zum Zeitpunkt t1 ist die Membran, die eine Sinusschwingung ausführt, nahezu maximal negativ ausgelenkt. Zum Zeitpunkt t2 ist die maximale negative Auslenkung erreicht. Anschließend nimmt die Auslenkung der Membran zu und durchläuft hierbei die Zeitpunkte t3, t4, t5, t6, t7, t8 bis zum Zeitpunkt t9 und überstreicht währenddessen einen Winkelbereich von annähernd 540°. An der maximalen Auslenkung der Membran ändert sich ein Drehsinn, indem sich der Polarvektor in der Polardarstellung dreht. Es werden die Messpunkte t10, t11, t12, t13, t14, t15, t16, t17, t18, t19 durchlaufen, bis am Messpunkt t20 erneut die maximal negative Auslenkung der Membran erreicht ist. An dieser Stelle ändert sich der Drehsinn erneut. Der Drehsinn ist für die einzelnen Abschnitte durch einen Pfeil 34 angedeutet. Aus dieser Darstellung ist zu erkennen, dass der überstrichene Polarwinkelbereich proportional zur Amplitude, d. h. der Auslenkung der Membran, ist. Während bei Auswertung nur eines Interferenzsignals nur ein Unterschied zwischen konstruktiver und destruktiver Interferenz unterschieden werden kann, welches eine Auslenkung um ein Viertel der Lichtwellenlänge entspricht, kann bei Auswertungen der Interferenzsignale, die für Licht mit den zwei unterschiedlichen Frequenzen zeitversetzt erfasst sind, Auslenkungen sehr viel feiner aufgelöst erfasst werden. Hierdurch wird eine Dynamik der Mikrofonanordnung deutlich gesteigert.
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In 8 ist die ermittelte Auslenkung 36 gegen die Zeit aufgetragen für eine 2-Frequenzanregung der Membran. Führt man eine Fourieranalyse dieses Signals aus, so erhält man das Anregungsfrequenzspektrum, welches in 9 dargestellt ist. Gut zu erkennen ist, dass in der Anregung ein Schallsignal mit einer Frequenz von 54 Hz und einer Amplitude von 3 × 10–7 m sowie ein Schallsignal mit 211 Hz und einer Amplitude von 2 × 10–7 m überlagert sind. Da sich Änderungen der Laserleistung mit der Zeit aufgrund des hochfrequenten alternierenden Umschaltens zwischen den beiden Lichtwegen in beiden Lichtzweigen nahezu gleich auswirken, ist die Messanordnung gegenüber solchen relativ zu der Umschaltfrequenz zwischen den beiden Lichtzweigen langsamen Schwankungen unempfindlich.
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Um auch in Umgebungen eingesetzt zu werden, in denen zusätzlich zu der akustischen Anregung weitere Vibrationen auftreten können, sind die Membran und das zweite Ende des optischen Lichtleiters in einer mechanischen Halterung zueinander fixiert. Um zu erreichen, dass statischer Druck nicht zu einer Auslenkung der Membran führt, ist die Halterung so ausgeführt, dass in diese Fluid ein- und austreten kann, folglich ein niederfrequenter statischer Druckausgleich zwischen Membranvor- und -rückraum erfolgen kann.
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Die dargestellte Anordnung ist lediglich beispielhaft.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Mikrofonanordnung
- 2
- Lichtquelle
- 3
- Licht einer ersten Frequenz
- 3'
- Anteil des Lichts erster Frequenz, der an der Lichtaustrittsfläche reflektiert ist
- 3''
- Anteil des Lichts erster Frequenz, der an der Membran reflektiert ist
- 4
- Pockels-Zelle
- 5
- erster polarisationsabhängiger Strahlteilerwürfel
- 6
- zweiter Strahlteiler
- 7
- dritter Strahlteilerwürfel
- 8
- erste Linse
- 9
- Lichtleiter
- 10
- erstes Ende
- 11
- zweites Ende
- 12
- zweite Linse
- 13
- Rückseite
- 14
- Membran
- 15
- photoempfindlicher Detektor
- 16
- Auswerteeinheit
- 17
- Steuereinheit
- 18
- erster Spiegel
- 19
- Akusto-Optischer-Modulator
- 20
- zweiter Spiegel
- 21
- Licht einer zweiten Frequenz
- 21'
- Anteil des Lichts zweiter Frequenz, der an der Lichtaustrittsfläche reflektiert ist
- 21''
- Anteil des Lichts zweiter Frequenz, der an der Membran reflektiert ist
- 31
- Diodensignal
- 32
- Interferenzsignal erste Frequenz
- 33
- Interferenzsignal zweite Frequenz
- 34
- Pfeile (die Drehsinn angeben)
- 35
- Anregungssignal
- 36
- Auslenkung