EP2039215B1

EP2039215B1 - Elektroakustischer wandler

Info

Publication number: EP2039215B1
Application number: EP07763720.5A
Authority: EP
Inventors: Balthasar Fischer
Original assignee: XARION Laser Acoustics GmbH
Current assignee: XARION Laser Acoustics GmbH
Priority date: 2006-06-27
Filing date: 2007-06-26
Publication date: 2018-08-08
Anticipated expiration: 2027-06-26
Also published as: CN101480068A; US8301029B2; US20090257753A1; AT505021B1; EP2039215A1; WO2008000007A1; JP2009542128A; AT505021A4

Description

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 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

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 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).
Beispiele für elektroakustische Wandler ohne mechanische Teile können in der JP 60 028100A , der US 6,590,661 und der GB 386,315 gefunden werden.

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 pPa, 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 Aufgabe wird gelöst mit einem elektroakustischen Wandler gemäß Anspruch 1. Die Lichtgeschwindigkeit in einem Medium ist $c_{M} = \frac{c}{n}$

c: Lichtgeschwindigkeit im Vakuum c = 3·10⁸ 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 274·10^-6 grösser als die Brechzahl 1 im Vakuum.
Mit dem Druck ändert sich auch die Brechzahl etwa wie $\frac{dn}{dp} = \frac{0,3 \cdot 10^{- 3}}{10^{5} Pa} = {3.10}^{- 9} \frac{1}{Pa}$
doch abhängig von der Lichtwellenlänge. Damit ändert sich auch die Lichtgeschwindigkeit (Gl. 1) gemäss: $Δ c_{M} = \frac{- c}{n^{2}} \frac{dn}{dp} Δ p$
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 p̃ 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 L₁ 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: $E_{1} = Acos (ωt - L_{1} k_{1})$
$E_{2} = A cos (ωt - L_{2} k_{2})$

A:: Amplitude
ω:: Kreisfrequenz ω = 2πν; ν: Frequenz des Lichts
L₁:: 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)
k₁:: Wellenzahl im Schallfeld $k_{1} = \frac{2 π}{λ_{1}} = \frac{ω}{c_{M} + Δ c} = \frac{ω}{c_{M}} (1 - \frac{Δ c}{c_{M}})$
(Anmerkung: Die Reihe darf nach dem ersten Glied abgebrochen werden, weil $\frac{Δ c}{c_{M}}$
sehr klein ist gegen 1)
k₂:: Wellenzahl im geschützten Gehäuse $k_{2} = \frac{2 π}{λ_{2}} = \frac{ω}{c_{M}}$
λ₁ und λ₂:: 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 $I = I_{0} \{1 - \cos (L_{1} k_{1} - L_{2} k_{2})\}$
$I = I_{0} - I_{0} \cos \{\frac{ω}{c_{M}} (L_{1} - L_{2}) - \frac{ω}{c_{M}} \frac{Δ c}{c_{M}} L_{1}\}$
Trigonometrische Umformung $I = I_{0} - I_{0} \{\cos \frac{ω}{c_{M}} (L_{1} - L_{2}) \cos \frac{ω}{c_{M}} L_{1} \frac{Δ c}{c_{M}}\} - I_{0} \{\sin \frac{ω}{c_{M}} (L_{1} - L_{2}) \sin \frac{ω}{c_{M}} L_{1} \frac{Δ c}{c_{M}}\}$
Über dem Gangunterschied (L₁ - L₂) läßt sich $\frac{ω}{c_{M}} (L_{1} - L_{2})$
auf jeden Wert zwischen 0 und 2π einstellen, wobei Vielfache von 2π dazu addiert werden dürfen. Wird dafür der Wert $(L_{1} - L_{2}) = \frac{c_{M}}{ω} (\frac{π}{2} + z 2 π)$
gewählt (z ganze Zahl), so verschwindet die Cosinus-Funktion.
Es bleibt lediglich $I = I_{0} - I_{0} \sin \{2 π \frac{L_{1}}{λ} \frac{Δ c}{c_{M}}\}$
Hierbei tritt $\frac{2 π}{λ}$
mit der Wellenlänge λ an die Stelle von $\frac{ω}{c_{M}} .$
Weil das Argument der Sinus-Funktion sehr klein gegen 1 ist, kann sie näherungsweise durch ihr Argumentersetzt werden.
Die Abnahme der Intensität I₀ - I (gemessen am Empfänger) $I_{0} - I = I_{0} \frac{2 π L_{1}}{λ} \frac{Δ c}{c_{M}}$
Sie ist proportional zur Änderung der Lichtgeschwindigkeit Δc und zur Länge L₁ 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.

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 Speicheroszilloskop (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 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.

Claims

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.
Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation der Ausbreitungsgeschwindigkeit des ersten Strahls durch Interferenz mit dem zweiten Strahl erfasst wird.
Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, wobei ein Gangunterschied zwischen den beiden Laserstrahlen auf λ/4 +λz einstellbar ist, wobei z ganzzahlig ist.
Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsfrequenz der Laserquelle (A) oberhalb des Hörbereichs liegt.
Elektroakustischer Wandler nach Anspruch 1, bei dem das Gehäuse (G) eine Öffnung für einen Druckausgleich zwischen dem Gehäuseinneren und der umgebenden Atmosphäre aufweist.