CN115442687A - 双振膜光学麦克风 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双振膜光学麦克风，包括平行设置可随声音共振的第一振膜和第二振膜，所述第一振膜、第二振膜以及支撑第一振膜、第二振膜的支撑件围成一谐振腔；所述第一振膜与第二振膜相邻的一面为反射面，所述第二振膜与第一振膜相邻的一面为透射面且与第一振膜远离的一面为半透半反面；包括光源，所述光源射出的光线被分光镜一分为二，其一束射入光源噪声探测器，另一束射向谐振腔；还包括低噪模拟放大器，所述低噪模拟放大器用于将主探测器探测到的光电流与光源噪声探测器探测到的光电流进行差分处理，并将差分处理后的电流信号转换为电压信号。本发明具有较高的灵敏度和信噪比，并且结构简单，易于加工制造。
Description
技术领域
本发明涉及一种麦克风，尤其是一种双振膜光学麦克风。
背景技术
麦克风，学名为传声器，也称话筒，微音器。麦克风是将声音信号转换为电信号的能量转换器件。目前主流电容式麦克风的信号的采集是通过振膜随声波振动而引起电容的变化，得到相应的电压信号输出并基于此还原声音信号。这类传统电容式麦克风由于其设计原理和制造工艺已经接近其性能的极限，信噪比约在68dB左右，灵敏度在12.5mV/Pa左右。
光学麦克风的原理是利用声音信号对介质的改变从而影响光学信号，以达到高灵敏度和动态范围的目的，具有体积小、性能可靠等优点。光学麦克风涉及到声音信号到光学信号的转变，光学信号再到电信号的转变。现有光学麦克风探测单元结构简单、动态范围大、灵敏度高，但仍然存在其整体结构和光学信号转化处理复杂的缺点。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种双振膜光学麦克风，具有较高的灵敏度和信噪比，并且结构简单，易于加工制造。
为解决以上技术问题，本发明的技术方案为采用一种双振膜光学麦克风：
包括平行设置可随声音共振的第一振膜和第二振膜，所述第一振膜、第二振膜以及支撑第一振膜、第二振膜的支撑件围成一谐振腔；所述第一振膜与第二振膜相邻的一面为反射面，所述第二振膜与第一振膜相邻的一面为透射面且与第一振膜远离的一面为半透半反面；
包括光源，所述光源射出的光线被分光镜一分为二，其一束射入光源噪声探测器，另一束射向谐振腔；射向谐振腔的一束光中一部分由第二振膜的半透半反面反射至分光镜后折射入主探测器，另一部分由第二振膜的半透半反面射入谐振腔并由第一振膜的反射面反射至分光镜后折射入主探测器；
还包括低噪模拟放大器，所述低噪模拟放大器用于将主探测器探测到的光电流与光源噪声探测器探测到的光电流进行差分处理，并将差分处理后的电流信号转换为电压信号。
作为一种改进，所述第一振膜和第二振膜为非磁性硅膜；所述第一振膜的反射面涂覆有反光涂层，所述第二振膜的半透半反面镀有半透半反涂层。
作为一种进一步的改进，所述非磁性硅为氮化硅或者二氧化硅。
作为另一种更进一步的改进，所述第一振膜为圆形，其直径为1～2毫米，厚度为1～2微米，所述第二振膜与第一振膜的形状和尺寸一致，且第二振膜和第一振膜的间距为200～500微米。
作为一种改进，所述支撑件上开有气孔。
作为一种改进，所述光源为窄线宽VCSEL激光器，所述窄线宽VCSEL激光器与分光镜之间设置有扩束透镜。
作为一种改进，所述光源射出的光线垂直于第二振膜，所述分光镜与所述光线呈45°，所述光源噪声探测器、主探测器分设与分光镜两侧的光路上。
作为一种改进，被分光镜一分为二的光线中，射向光源噪声探测器的光线少于射向谐振腔的光线。
作为一种改进，射入光源噪声探测器的光线与射入谐振腔的光线的比例为3:7。
作为一种改进，所述低噪模拟放大器包括并联的主探测器和光源噪声探测器，并且所述主探测器和光源噪声探测器的电流方向相反；主探测器和光源噪声探测器并联后两端分别接入模拟信号放大器的正负极；还包括并联后接入模拟信号放大器的电阻和电容。
本发明的有益之处在于：
1、利用双膜围成的谐振腔用于接收声音并在声压的驱动下产生共振使得光线的光程差发生变化，使得其灵敏度、信噪比高。
2、通过一个分光镜就实现对光源噪声和信号噪声的差分，在对信号处理时可以很好的去除光源的不稳定性对信号造成的干扰。
3、低噪模拟放大器实现了对光学模拟信号的差分放大而且还实现了光信号到电压信号的转换，方便于后期直接进行信号处理，降低了器件集成的复杂度。
附图说明
图1为本发明的原理图。
图2为谐振腔的剖视结构示意图。
图3为低噪模拟放大器的电路图。
图中标记：1第一振膜、2第二振膜、3支撑件、4光源、5扩束透镜、6分光镜、7主探测器、8光源噪音探测器、9气孔、10模拟信号放大器。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
现有的光学麦克风一般为单膜结构，需要设置光栅使得整体结构较为复杂。同时单膜结构的灵敏度较低。
为了解决上述问题，如图1、图2所示，本发明提供一种双振膜光学麦克风，包括谐振腔、光学模块、低噪模拟放大器。
谐振腔包括平行设置可随声音共振的第一振膜1和第二振膜2，所述第一振膜1、第二振膜2以及支撑第一振膜1、第二振膜2的支撑件3围成的腔体即谐振腔；所述第一振膜1与第二振膜2相邻的一面为反射面，所述第二振膜与第一振膜相邻的一面为透射面且与第一振膜远离的一面为半透半反面。
谐振腔为一微型密闭腔体，微小的声压也能引起第一振膜的振动，同时传播到第二振膜1，使得第二振膜2和第一振膜1一起振动,当声音频率的强度保持恒定时，第一振膜1和第二振膜2可以发生共振。因此相较于单膜结构，双膜围成的密闭的谐振腔也更加灵敏，信噪比更高。
在发生共振时，两个振膜反射的光程差相较于未收到声音时的光程差发生变化，光束经第二振膜射入谐振腔后再由第一振膜反射到探测器表面引起的干涉相位及强度也不一样相同。本发明正是利用光程差的变化引发的干涉相位及强度的差异来改变电信号，从对声音的差异进行表达。
本实施例中，所述第一振膜1和第二振膜2为非磁性硅膜，如氮化硅膜或者二氧化硅膜。非磁性硅膜本身为全透膜，为了达到所需的光学性能，所述第一振膜1的反射面涂覆有反光涂层如镀金，所述第二振膜2的半透半反面镀有半透半反涂层。
为了让第一振膜1和第二振膜2更好的发生共振，所述第一振膜为圆形，其直径为1～2毫米，厚度为1～2微米，所述第二振膜与第一振膜的形状和尺寸一致，且第二振膜和第一振膜的间距为200～500微米。
由于声压过大时引起膜的振动和膜内气压的急剧变化可能导致振膜撕裂，在一些实施例中，支撑件3上开有气孔9，气孔9位于谐振腔的侧方。
光学模块包括光源4，所述光源4射出的光线被分光镜6一分为二，其一束射入光源噪声探测器8，另一束射向谐振腔；射向谐振腔的一束光中一部分由第二振膜2的半透半反面反射至分光镜6后反射入主探测器7，另一部分由第二振膜2的半透半反面射入谐振腔并由第一振膜1的反射面反射至分光镜6后反射入主探测器7；
本实施例中光源4优选为窄线宽VCSEL激光器，所述窄线宽VCSEL激光器与分光镜6之间设置有扩束透镜5。光源4射出的光线垂直于第二振膜2，所述分光镜6与所述光线呈45°，所述光源噪声探测器8、主探测器7分设与分光镜6两侧的光路上。
被分光镜6一分为二的光线中，射向光源噪声探测器8的光线少于射向谐振腔的光线。本实施例中，射向光源噪声探测器的光线与射向谐振腔的光线的比例为3:7，即光源发射的光线中有30％射向光源噪声探测器，有70％射向谐振腔。
如图3所示，低噪模拟放大器用于将主探测器7探测到的光电流与光源噪声探测器8探测到的光电流进行差分处理，并将差分处理后的电流信号转换为电压信号。
具体地，低噪模拟放大器包括并联的主探测器7和光源噪声探测器8，并且所述主探测器7和光源噪声探测器8的电流方向相反；主探测器7和光源噪声探测器8并联后两端分别接入模拟信号放大器10的正负极；还包括并联后接入模拟信号放大器的电阻Rf和电容Cf。
本发明的光学原理如下：
同频同振向主探测器干涉结果只考虑光强；
其中，E1表示为入射到第一振膜1的光束传播公式，E2表示为入射到第二振膜2的光束传播公式。I为两束光反射到探测器上引起干涉的光强公式。公式中，E1为入射到第一振膜1的光束的电场矢量、E2为入射到第二振膜2的光束的电场矢量、A1为入射到第一振膜光束1的振幅、A2为入射到第二振膜光束2的振幅、t为时间、k为波数、φ1为入射到第一振膜光束1的初相位、φ2为入射到第二振膜光束2的初相位、x为光线传播方向、I为光强、I1为入射到第一振膜光束1的光强、I2为入射到第二振膜光束2的光强、δ为在探测器处发生干涉的两束光的相位差。
δ＝4πnd/λ是发生干涉的光束之间的相位差。对于固定的初相位
来说，干涉相位差由光程差决定。光程差主要由上下两振膜的振动引起发生变化，当共振时上下振膜光程差保持不变。光束光程差发生变化，由此干涉光强也发生变化，当频率和强度稳定的声音信号引起双膜共振时光程差恒定，干涉光强不发生变化。
麦克风底部的窄线宽VCSEL激光器发射的单模激光经过扩束透镜形成的主光束在45度的分光镜6处3：7分光，其中30％反射到光源噪声探测器8上，70％透过分光镜6射向谐振腔。而分光70％的激光入射到第二振膜2半透半反面时，又有一部分激光被反射作为参考光束，其余一部分激光透射进入谐振腔在第一振膜1反射面完全反射后再透射过第二振膜2，通过分光镜6反射到主探测器7上和参考光束形成干涉。在没有声压信号的时候，上下两振膜的光程差保持固定。当声音引起振膜振动时，第一和第二振膜的反射光的光程差会和振膜静止时光程差不同，使得最终在主探测器处的光束形成的干涉强度不同。主探测器探测到的光信号通过运算放大器转换成电压信号，方便后期相关信号处理。
利用分光镜6分光30％到光源噪声探测器8上目的是为了消除光源噪声。所谓光源噪声是指由于光源的不稳定性导致测得的信号包含的噪声。原理在于将主探测器测得的光电流减去光源噪声探测器的光电流再进行差分放大，得到的放大信号就去除了光源噪声。
低噪模拟放大器的放大原理为：Vout＝Zfiin,其中
公式中Vout为低噪模拟放大器输出的电压值、iin为差分后的电流值、i0为主探测器的光电流、i1为光源噪声探测器的光电流、Zf为阻抗、j为虚数符号、ω为频率，Rf为电阻，Cf为电容。
iin＝i0-i1为主探测器的光电流(i0)减去光源噪声探测器的光电流(i1)，达到差分放大的目的。具体的增益由电阻Rf和电容Cf的值来确定。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种双振膜光学麦克风，其特征在于：
包括平行设置可随声音共振的第一振膜和第二振膜，所述第一振膜、第二振膜以及支撑第一振膜、第二振膜的支撑件围成一谐振腔；所述第一振膜与第二振膜相邻的一面为反射面，所述第二振膜与第一振膜相邻的一面为透射面且与第一振膜远离的一面为半透半反面；
包括光源，所述光源射出的光线被分光镜一分为二，其一束射入光源噪声探测器，另一束射向谐振腔；射向谐振腔的一束光中一部分由第二振膜的半透半反面反射至分光镜后反射入主探测器，另一部分由第二振膜的半透半反面射入谐振腔并由第一振膜的反射面反射至分光镜后反射入主探测器；
还包括低噪模拟放大器，所述低噪模拟放大器用于将主探测器探测到的光电流与光源噪声探测器探测到的光电流进行差分处理，并将差分处理后的电流信号转换为电压信号。
2.根据权利要求1所述的一种双振膜光学麦克风，其特征在于：所述第一振膜和第二振膜为非磁性硅膜；所述第一振膜的反射面涂覆有反光涂层，所述第二振膜的半透半反面镀有半透半反涂层。
3.根据权利要求3所述的一种双振膜光学麦克风，其特征在于：所述非磁性硅为氮化硅或者二氧化硅。
4.根据权利要求1所述的一种双振膜光学麦克风，其特征在于：所述第一振膜为圆形，其直径为1～2毫米，厚度为1～2微米，所述第二振膜与第一振膜的形状和尺寸一致，且第二振膜和第一振膜的间距为200～500微米。
5.根据权利要求1所述的一种双振膜光学麦克风，其特征在于：所述支撑件上开有气孔。
6.根据权利要求1所述的一种双振膜光学麦克风，其特征在于：所述光源为窄线宽VCSEL激光器，所述窄线宽VCSEL激光器与分光镜之间设置有扩束透镜。
7.根据权利要求1所述的一种双振膜光学麦克风，其特征在于：所述光源射出的光线垂直于第二振膜，所述分光镜与所述光线呈45°，所述光源噪声探测器、主探测器分设与分光镜两侧的光路上。
8.根据权利要求1所述的一种双振膜光学麦克风，其特征在于：被分光镜一分为二的光线中，射向光源噪声探测器的光线少于射向谐振腔的光线。
9.根据权利要求8所述的一种双振膜光学麦克风，其特征在于：射向光源噪声探测器的光线与射向谐振腔的光线的比例为3:7。
10.根据权利要求1所述的一种双振膜光学麦克风，其特征在于：所述低噪模拟放大器包括并联的主探测器和光源噪声探测器，并且所述主探测器和光源噪声探测器的电流方向相反；主探测器和光源噪声探测器并联后两端分别接入模拟信号放大器的正负极；还包括并联后接入模拟信号放大器的电阻和电容。
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| 刘欣 等: "基于硅基微电子机械系统仿生振膜的光纤麦克风", 《物理学报》, 16 January 2022 (2022-01-16), pages 1 - 11 * |
| 巫江 等: "基于SaaS 模式的数字电视字幕控制系统", 《电视技术》, 17 February 2010 (2010-02-17), pages 65 - 67 * |
| 杨建红;张认成;房怀英;: "反射强度调制式光纤声音传感器优化设计与研究", 传感器与微系统, no. 12, 20 December 2008 (2008-12-20), pages 84 - 87 * |
| 金婷纾 等: "一种用于声源定位的光纤麦克风阵列", 《复旦学报（自然科学版）》, vol. 58, no. 05, 15 October 2019 (2019-10-15), pages 629 - 633 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115442687B (zh) | 2024-04-26 |
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