DE102006013345A1

DE102006013345A1 - Elektroakustischer Wandler, insbesondere optisches Mikrofon ohne Membran

Info

Publication number: DE102006013345A1
Application number: DE200610013345
Authority: DE
Inventors: Lukas Balthasar Fischer; Michael Fischer
Original assignee: Fischer Michael Drrernat
Current assignee: Fischer Michael Drrernat
Priority date: 2006-03-23
Filing date: 2006-03-23
Publication date: 2007-10-04
Anticipated expiration: 2026-03-24
Also published as: DE102006013345B4

Abstract

Als optisches Mikrofon ohne Membran wird eine Anordnung vorgeschlagen, bei der die einfallenden Schallwellen die Intensität eines Lichtstrahls modulieren. Es wird dabei die Licht absorbierende Eigenschaft des Mediums der Schallausbreitung benützt. Die Dichte des Mediums variiert mit den Druckschwankungen der Schallwelle und damit variiert auch die Lichtabsorption. Somit wird die Intensität des Lichtstrahls entsprechend der Frequenz und der Amplitude des Schallfelds moduliert. Als Mikrofon für Luftschall werden folgende zwei Aufbauten vorgeschlagen: 1. Ein Lichtstrahl durchquert das Schallfeld, indem er zwischen zwei planparallelen Spiegeln mehrfach hin- und herreflektiert wird. Der Hohlraum zwischen den Spiegeln wird durch eine den einfallenden Schall reflektierende Grundplatte abgeschlossen. Ein Teil des Lichts wird während der mehrfachen Durchquerung des Schallfeldes absorbiert. Das Restlicht trifft auf einen Empfänger. 2. Ein Lichtstrahl wird in einem optisch dichten Material geführt und an der Grenzfläche zur Luft mehrfach total reflektiert. Die Schallwellen treffen senkrecht auf die Oberfläche des lichtleitenden Materials. Ein Teil des Lichts tritt bei der Totalreflexion in die angrenzende Luft über und wird dort absorbiert. Das Restlicht trifft auf einen Empfänger. Bei beiden Aufbauten dient eine vor Schall geschützte, ansonsten der oben beschriebenen identische, zweite Anordnung als Referenz. Die Signale der Lichtempfänger werden mit einem ...

Description

1. Gegenstand:
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.
Die Funktionsweise des Mikrofons basiert auf dem Beer-Lambert Gesetz. Es beschreibt die durch ein Medium geschwächte Lichtintensität folgendermassen:
wobei I und I₀ die transmittierte bzw. die einfallende Lichtintensität ist, q der Wirkungsquerschnitt der absorbierenden Moleküle, N ihre Teilchenzahldichte und L die Länge des Absorptionsweges. Eine Schallwelle, bekanntlich eine Druckschwankung im Medium, hat eine lokale Variation der Teilchenzahldichte N zur Folge. Gemäss Gl. (1) wird dadurch die Intensität des Lichtstrahls moduliert, welcher das Medium der Schallausbreitung durchsetzt.
Damit die Schallwellen die Intensität des Lichts modulieren können, muss das Medium, in dem sich der Schall ausbreitet, das Licht stark absorbieren. Für das vorgeschlagene Mikrofon lässt sich jedes Licht (IR, VIS, UV) benützen, das die Bedingung einer starken Absorption im Medium der Schallausbreitung (in der Regel Luft) erfüllt.
Der gemäss Frequenz und Amplitude des Schalls modulierte Lichtstrahl wird mit Hilfe eines geeigneten Lichtempfängers elektronisch ausgewertet.
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).
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.
Empfindliche, genaue und rauscharme Mikrofone sind in der Regel nicht hinreichend klein und stören so das zu messende Schallfeld.
Bei den elektrisch messenden Systemen 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.
Zudem soll er klein genug sein, um das Schallfeld nicht wesentlich zu beeinflussen.
5. Lösung:
Das vorgeschlagene Mikrofon ohne Membran besteht aus einer gepulsten Lichtquelle, von der zwei Lichtstrahlen gleicher Intensität ausgehen. Während der eine Lichtstrahl durch das Schallfeld geführt oder in einem lichtleitenden Material an das Schallfeld herangeführt wird, um dabei gemäss der Frequenz und der Amplitude des Schalls moduliert zu werden, dient der andere Lichtstrahl, welcher auf einer Strecke gleicher Länge das schallisolierte Medium passiert, als Referenz. Die Intensität des Referenzstahls wird zwar durch Absorption auch reduziert, jedoch nicht moduliert, weil die Referenzeinheit vor Schall geschützt ist. Die Lichtstrahlen treffen dann auf zwei identische Detektoren, welche die Licht-Modulation in eine Änderung der elektrischen Ausgangsspannung umwandeln. Durch das Lock-In-Prinzip bei den Detektorschaltungen kann der Signal-Rausch-Abstand vergrössert werden. Die beiden Ausgangspannungen der Detektoren werden anschliessend einem Differenzverstärker zugeführt.
Das vorgeschlagene Mikrofon macht sich den im folgenden beschriebenen, linearen Zusammenhang von Schalldruck und transmittierter Lichtintensität zunutzte:
Der Druck im Schallfeld p setzt sich zusammen aus dem quasistatischen Druck p - des Mediums (etwa 10⁵ Pa in Luft) und dem Druck der Schallwelle p ~, welcher typischerweise Bruchteile eines Pa beträgt: p = p - + p ~ (2)
Entsprechend ergibt sich für die Teilchenzahldichte N, nämlich für die Zahl der das Licht absorbierenden Teilchen im Mediums der Schallausbreitung je Volumeneinheit: N = N - + N ~ (3)
Zwischen der relativen Druckänderung p ~/p - und der relativen Änderung der Teilchenzahldichte N ~/N - besteht unter Annahme einer adiabatischen Zustandsänderung die Beziehung:
wobei κ der Adiabatenexponent ist (Für Luft beträgt κ = 1.4).
Die mittlere Reichweite w des Lichts einer bestimmten Frequenz im absorbierenden Medium beträgt:
wobei q der Wirkungsquerschnitt ist, gemessen als Fläche je Teilchen.
Damit lässt sich das Beer-Lambert Gesetz (Gl.1) folgendermassen ausdrücken:
Am Ausgang des Differenzverstärkers liegt die Spannung:
wobei A ein Proportionalitätsfaktor ist. Die mittlere Reichweite des Lichts auf der dem Schall exponierten Messstrecke ist
beträgt die mittlere Reichweite auf der vor dem Schall geschützten Messstrecke. Die beiden Exponentialfunktionen in Gleichung (7) lassen sich in Reihen entwickeln. Falls p ~/p - << 1 ist, das heisst, für kleine Druckschwankungen, können quadratische Terme und Terme höherer Ordnung vernachlässigt werden. So reduziert sieh der Ausdruck zu:
Die Änderung der Ausgangsspannung ist der Änderung des Schalldrucks proportional. Die Konstante K hängt ab von der Intensität des Lichts, vom Wirkungsquerschnitt q, von der Teilchenzahldichte N und der Weglänge L, sowie von der Verstärkung der Empfängerschaltung.
6. Realisierung:
Mikrofon für Luftschall
Im sichtbaren Spektralbereich des Lichts wirkt kein Bestandteil der Luft so stark absorbierend, wie es nach dem Wandlerprinzip erforderlich ist. Wohl aber gibt es Absorption der Luft im infraroten und im ultravioletten Spektralbereich. Deshalb werden zwei verschiedene Ausführungen vorgeschlagen: Abschnitt 7 beschreibt die Anwendung des Wandlerprinzips im IR-Bereich; hier werden in der Luft vorhandene Wassermoleküle als absorbierender Bestandteil genutzt. Abschnitt 8 beschreibt die Anwendung des Wandlerprinzips im UV-Bereich; hier wird die absorbierende Eigenschaft der Sauerstoff-Moleküle benutzt. Bedingt durch die verschiedenen Eigenschaften der IR- und UV-Strahlung unterscheiden sich die beiden Aufbauten in ihrer Art.
7. Aufbau 1:
Mikrofon für Luftschall mit infrarotem Licht (IR)
In 1 ist der Aufbau des Mikrofons schematisch dargestellt. Ein leicht schräg einfallender Lichtstrahl D durchquert die Anordnung von zwei parallelen Spiegeln B und C, welche auf einer ebenen Grundplatte G starr befestigt sind. Auf der Unterseite der Platte G befindet sich eine analoge Anordnung von zwei Spiegeln B' und C', welche ebenfalls von einem Lichtstrahl D' von der selben Lichtquelle A durchquert wird. Die zweite Anordnung ist auf der Skizze aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht eingezeichnet; sie ist in einem schallisolierten Gehäuse untergebracht und dient als Referenz.
Der Lichtstrahl D definiert mit seinem Zig-Zag-Verlauf eine Ausbreitungsebene parallel zur Grundplatte G, auf der die beiden Spiegelflächen senkrecht stehen. Nach dem Verlassen des Raums zwischen den beiden Spiegeln B und C trifft der Lichtstrahl D auf einen Lichtdetektor E. Entsprechend trifft der Lichtstrahl D' auf der Unterseite der Platte G auf den Detektor E'. Bei den beiden Lichtdetektoren E und E' handelt es sich um opto-elektrische Wandler. Sie sind mit dem Eingang des elektrischen Differenzverstärkers F verbunden.
A Lichtquelle in Form einer LED oder einer Laserdiode. Die Wellenlänge liegt bei 1877 nm, einer Absorptionsbande von H₂O. Das Licht wird mit >20 kHz gepulst, also mit einer Frequenz deutlich oberhalb des Hörbereichs. Ein Strahlenteiler erzeugt zwei identische Lichtstrahlen D und D'.
B und C Zwei planparallele (biegesteife) Spiegel im Abstand a zueinander, fest montiert auf der Grundplatte G.
D und D' Lichtstrahlen; sie werden z mal zwischen den Spiegeln hin und her reflektiert und legen dabei den Weg L = 2 z a zurück.
E und E' Detektoren in Form von Photodioden mit Lock-In-Schaltung.
F elektrischer Differenzverstärker. Er bildet die Differenz zwischen dem Signal der Schall-Messstrecke und dem Signal der Referenz-Strecke. (Letztere befindet sich unter der Grundplatte G und ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht eingezeichnet.)
G Biegesteife Grundplatte, die den Schall reflektiert und die Spiegel trägt.
Der Referenzaufbau mit den Spiegeln B' und C' unterhalb der Grundplatte G befindet sich in einem schallisolierten Gehäuse. Dieses Gehäuse ist mit einer kleinen Öffnung (Wurmloch) versehen, welche den Ausgleich des stationären Luftrucks p - ermöglicht.
Ergänzung: Die Spiegelpaare B und C bzw. B' und C' können auch als Fabry-Perot-Interferometer realisiert werden. Mit Hilfe piezoelektrischer Stellelemente kann der Spiegelabstand a präzise auf eine Absorptionslinie eingestellt werden. So lässt sich die Empfindlichkeit des Mikrofons noch weiter steigern.
In Tabelle 1 sind relevante Zahlenwerte zusammengestellt:
Tabelle 1: Zahlenbeispiel für Mikrofon Aufbau 1 (IR)
8. Aufbau 2:
Mikrofon für Luftschall mit ultraviolettem Licht (UV)
Dieser Aufbau fusst auf der Physik der gedämpften Totalreflexion (Attenuated Total Reflectance, ATR). Bekanntlich dringt das Licht bei der Totalreflexion etwa eine Wellenlänge tief in das angrenzende, optisch dünnere Medium, in diesem Fall die Luft, ein. Entsprechend der wechselnden Dichte der Luft variiert die Absorption des durch die Oberfläche sickernden Lichts geringfügig. (siehe 3)
2 ist der Aufbau des Mikrofons schematisch dargestellt. Von der gepulsten Strahlungsquelle N und dem Strahlungsteiler P gehen zwei identische Lichtstrahlen S und S' aus. Diese breiten sich je in dem plattenförmigen Lichtleiter Q bzw. R aus und erfahren dabei wiederholt Totalreflexion. Während die Platte Q und mit ihr der Lichtstrahl S dem Schallfeld ausgesetzt sind, bleibt die andere Platte R durch das Gehäuse M mit der kleinen Öffnung W vor Schall geschützt. Der Lichtstrahl S' in der geschützten Platte R dient als Referenz.
Eine reflektierende Dünnschicht X, z. B. aus Aluminium, separiert die beiden lichtleitenden Platten Q und R mit ihren Lichtstrahlen S bzw. S' von einander. Die beiden Lichtstrahlen, S moduliert, S' unmoduliert als Referenz, treffen auf zwei identische Lichtdetektoren T bzw. U. Es handelt es sich dabei um opto-elektrische Wandler, die mit dem Eingang des elektrischen Differenzverstärkers V verbunden sind.
M Schallschutzmantel. Er schützt die Platte R vor Schall. Der Schall kann nur auf die freie Oberfläche der Platte Q einwirken.
N Lichtquelle in Form eines Lasers. Die Wellenlänge des emittierten Lichts λ = 150 nm liegt im Vakuum-UV, das von O₂ stark absorbiert wird. Der Lichtstrahl wird mit einer Frequenz >20 kHz gepulst, also deutlich oberhalb der Frequenzen des Hörbereichs.
P Strahlungsteiler. Er teilt das Licht in zwei identische Lichtstrahlen auf.
Q und R Platten aus einem Material, das Licht mit λ = 150 nm wenig absorbiert, möglicherweise CaF₂, Saphir oder Quarzglas. Der Brechungsindex n₁ des Materials ist grösser als der Brechungsindex n₂ des Schall tragenden Mediums.
S und S' Lichtstrahlen.
T und U Lichtdetektoren in Form von Photodioden mit Lock-In-Schaltung.
V Differenzverstärker. Er bildet die Differenz zwischen dem Signal der Schall-Messstrecke (durch Platte Q und dem Signal der Referenz-Strecke (durch Platte R).
W Kleine Öffnung im Gehäuse (Wurmloch), die dem Ausgleich des stationären Luftdrucks p - dient.
X Dünne Reflexionsschicht; beispielsweise Aluminium. Sie dient einer verlustarmen Reflexion und trennt die beiden Platten Q und R.
In Tabelle 2 sind relevante Zahlenwerte zusammengestellt:
Tabelle 2: Zahlenbeispiel für Mikrofon Aufbau 2 (UV)
9. Vorteile der Erfindung:

• Überraschenderweise gelingt es, Schallsignale ohne Hilfe bewegter Teile (Membranen), also ohne Mechanik, in elektrische Signale umzuwandeln.
• Das Mikrofon kann klein, robust und kompakt gebaut werden. Sein Einfluss auf das Schallfeld ist daher gering.
• Weil das Mikrofon optisch arbeitet, haben elektromagnetische Störfelder keinen Einfluss.
• Das Prinzip der Erfindung kann auch bei anderen Medien als Luft für die Schallmessung eingesetzt werden.
• Dank der Differenzmethode bleiben Änderungen des Luftdrucks (Wetter, Arbeitshöhe) ohne Einfluss.

10. Literatur:

[Poh] R. W. Pohl: Optik und Atomphysik. Springer-Verlag, Berlin, Göttingen, Heidelberg, 1958.
[Hit] HITRAN Database, http://cfa-www.harvard.edu/hitran//
[Kel] Hannelore Keiler-Rudek, Geert K. Moortgat; MPI-Mainz: UV-VIS Spectral Atlas of Gaseous Molecules, www.atmosphere.mpg.de
[Sie] Markus W. Sigrist (Ed): Air Monitoring by Spectroscopic Techniques. Chemical Analysis Vol 127. Wiley, New York, 1994.
[Dem] Wolfgang Demtröder: Laserspektroskopie. Grundlagen und Techniken. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1991.

Claims

Elektroakustischer Wandler, bei dem das Schallfeld, sei es in einem gasförmigen, flüssigen, oder festen Medium, den Lichtstrahl des Wandlers entsprechend der Frequenz und der Amplitude des Schalls moduliert. Danach trifft der modulierte Lichtstrahl auf einen opto-elektrischen Wandler, dessen elektrische Ausgangssignale proportional mit dem Druckverlauf im Schallfeld variieren.
Elektroakustischer Wandler gemäss Anspruch 1, insbesondere membranloses Mikrofon, mit zwei Spiegeln (B und C) mit planparallelen Spiegelflächen; mit einer gepulsten Lichtquelle (A), deren Lichtstrahl (D) in den Raum (B-C) zwischen den Spiegelflächen eintritt und mehrmals im Wechsel an der einen oder anderen Spiegelfläche vorwärts reflektiert wird; und mit einem Detektor (E) des Lichtes, das aus dem Zwischenraum (B-C) austritt, welcher den einfallenden Schallwellen ausgesetzt ist; wobei der Detektor (E), unterstützt durch die Lock-In-Technik, eine der eintreffenden Lichtintensität proportionale elektrische Grösse (Spannung) abgibt. (1)
Wandler nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Nebenordnung eines zweiten, gleichen Spiegelpaares (B' und C'), das von dem ersten Spiegelpaar (B und C) mittels der dazu senkrechten, Schall reflektierenden Grundplatte (G) getrennt ist und sich in einem schallisolierten Gehäuse (nicht gezeichnet, mit Wurmloch zwecks Luftausgleich) befindet, welches mittels der Grundplatte (G) geschlossen ist. Der Strahlengang unterhalb der Grundplatte (G) beginnt an der selben Lichtquelle (A), verläuft wie oberhalb der Platte und endet an einem zweiten Detektor (E'). Die beiden identischen Lichtdetektoren (E und E') sind an einen elektrischen Differenzverstärker (F) angeschlossen. (1)
Wandler nach Anspruch 2 und 3, gekennzeichnet durch ein Fabry-Perot-Interferometer als Spiegelpaar mit planparallelen Spiegelflächen und durch piezoelektrische Stellelemente.
Elektroakustischer Wandler gemäss Anspruch 1, insbesondere membranloses Mikrofon, mit einer quaderförmigen Platte (Q) aus einem, das benutzte Licht leitenden Material der optischen Dichte n₁, die grösser ist als die optische Dichte n₂ des Mediums der Schallausbreitung; mit einer Lichtquelle (N), deren gepulster Lichtstrahl (S) in der Platte an der Grenzfläche zum einfallenden Schall mehrfach eine Totalreflexion erfährt; und mit einem Detektor (T) nebst Lock-In-Technik, der den aus der Platte austretenden, modulierten Lichtstrahl empfängt und eine der verbliebenen Lichtintensität proportionale, elektrische Grösse (Spannung) abgibt. (2)
Wandler nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch eine Sandwich-Anordnung einer zweiten quaderförmigen Platte (R) aus dem selben Material, wobei die Zwischenschicht (X) zwischen den beiden Platten aus einem, das Licht reflektierenden Material (beispielsweise Aluminium) besteht; einen zweiten gepulsten Lichtstrahl (S') der selben Quelle (N), der in entsprechender Weise in die zweite Platte (R) eintritt und nach der gleichen Anzahl von Totalreflexionen auf einen zweiten Detektor (U) fällt, der eine der verbliebenen Lichtintensität proportionale elektrische Grösse (Spannung) abgibt; und durch einen elektrischen Differenzverstärker (V), der an die beiden Lichtdetektoren (T und U) angeschlossen ist. (2)
Wandler nach Anspruch 5 und 6, gekennzeichnet durch einen Schallschutzmantel (M), welcher den Wandler umschliesst mit Ausnahme der dem Schallfeld zugewandten Oberfläche der Platte (Q und so die Platte (R) vor einfallendem Schall schützt; durch eine labyrinthische Öffnung (W) (Wurmloch) im Schallschutzmantel (M) zum gemächlichen Luftaustausch mit der Umgebung. (2)
Elektroakustischer Wandler gemäss Zusammenfassung.