DE1437468A1

DE1437468A1 - Digitales Mikrophon

Info

Publication number: DE1437468A1
Application number: DE19641437468
Authority: DE
Inventors: Elmer Baum
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1963-06-03
Filing date: 1964-06-02
Publication date: 1968-10-10
Also published as: SE321709B; US3286032A; GB1057767A; CH431622A; FR1397060A

Description

ειεεϊειβ: ioeenz ag

Stuttgart-Zuf f enhausen 143 7 46 8

Hellmuth-Hirth-Stro 42

ISB/keg. 2899 1. Baum - 4

Dr. Expl.

Digitales Mikrophon

Die Priorität der Anmeldung Nr. 284,954 in den Vereinigten Staaten von Amerika vom 3· Juni 1963 ist in Anspruch genommene

Die Erfindung betrifft Mikrophone, genauer gesagt ein. solches Mikrophon, das in der lage ist, direkt digitale Ausgangssignale abzugeben«)

Um-Schallwellen, ZoB. Sprache, mittels digitaler Code, z.B«, PCM (Puls-Code-Modulation), zu übertragen, ist es nötig, die Sprache oder Schallwelle in ein impulsförmig codiertes Signal zu übersetzen. Dies wird normal so durchgeführt, dass man einen Analog-Umsetzer nimmt, ζ,B. ein normales Mikrophon, um die Schallwelle in ein elektrisches Signal umzuwandeln, dass man den elektrischen Signalausgang in bestimmten Abständen abtastet und digitale Zeichen erzeugt, die aus der Abtastung der Ausgangswelle abgeleitet sind. Wenn der digitale Code an jeder Teilnehmer-Einrichtung erzeugt werden soll, dann wird der pro Einrichtung benötigte Aufwand an Geräten sehr gross_o

Dagegen gibt die Erfindung ein Mikrophon an, das digitale Ausgangssignale direkt aus Schallwellen erzeugte

Ein Kennzeichen der Erfindung ist, dass ein Minimum an Geräten bei der Teilnehmerstelle aufgewandt wird, um digital codierte Ausgangssignale direkt aus Schallwellen zu erzeugen..

Ein anderes Kennzeichen der Erfindung besteht darin, dass das Mikrophon aus den auftretenden Schallwellen direkt entsprechende digitale Ausgangssignale erzeugt und die doppelte Umwandlung von der Schallwelle in analoges elektrisches Zeichen und vom analogen elektrischen Zeichen in digitale Zeichen vermeidet.

27.5.1964

Vl/ffp - 2 -

809802/U32/

Mn erfindungsgemässes Mikrophon zur Umwandlung von Schallwellen in vorgegebene digitale Zeichen ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittel zur Umwandlung der Schallwellen in eine Bewegung, ZoBo eine Membran, und ein von der Bewegung des Schall-Wandlers abhängiges Mittel zur Erzeugung solcher digitaler Ausgangs signale vorhanden ist, die durch den vorgegebenen digitalen Code bestimmt sind und die Amplitude der Schallwelle wiedergebeno

Eine andere Ausführungsform des erfindungsgemässen Miiacphons zur Umwandlung von Sehallwellen in vorgegebene digitale Zeichen besitzt ein Mittel zur Umwandlung der Schallwellen in eine zur Amplitude der Schallwellen proportionale Bewegung, ein zweites Mittel, dass entsprechend dem genannten vorgeschriebenen digitalen Code aufgebaut ist, und ein drittes, von der Bewegung des ersten Mittels abhängiges Mittel, dass das zweite Mittel zur Abgabe der digitalen Ausgangssignale anregen soll, die die Amplitude der Schallwellen wiedergeben»

Andere Ausführungsformen der Erfindung enthalten folgende Abwandlungen des soeben erwähnten zweiten und dritten Mittels:

1* Ein an der Membran befestigter Spiegel zur Erzeugung eines Lichtstrahls, der in einer Codiermatrix angeordnete, lichtempfindliche Empfänger zur Abgabe der digitalen Ausgangssignale markierte

2. Man polarisiert eine Lichtquelle und richtet die polarisierte Lichtquelle auf ein druckempfindliches Polarisierungsjelement, wobei das genannte druckempfindliche Polarisierungselement von der Membran dazu angeregt wird, das polarisierte Lieht auf eine Codiermatrix aus lichtempfindlichen Empfängern zu werf en, um die digitalen Ausgangssignale zu erzeugen.

3β Ein von der Membran bewegter Magnet, der einen Elektronenstrahl proportional zur Amplitude der Schallwelle über eine Codiermatrix lenkt, die vom Elektronenstrahl abhängig das digitale Ausgangssignal erzeugtο

- 3 80 9 80 2/03,27 . .

4· Mehrere Bürsten, die von einem, die Membran "berührenden, Hebel bewegt werden, um mit den Bürsten in einer Codiermatrix angeordnete Leitelemente zur Erzeugung der digitalen Ausgangssignale anzuregen.

5· Bine mit der Membran gekoppelte Kondensatorplatte, die eine andere Kondensatorplatte in form einer Codiermatrix zur Abgabe der digitalen Ausgangssignale markiert.

6· Magnetfeldempfindliches Element, das abhängig von der Stärke des mit der Bewegung der Membran veränderlichen Magnetfeldes die digitalen Ausgangssignale erzeugt.

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist die Anordnung einer Godiermatrix, die nicht mit reinem binären Code arbeitet, sondern z.B. mit Delta-Modulation, mit umgekehrtem Binärcode oder Exeess-3 Binärcode, um digitale Ausgangssignale im gewählten Code zu erhalten·

Die Erfindung soll anhand der Zeichnungen erläutert werden»

Fig. 1 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemässen digitalen Mikrophons.

Pig. 2 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemässen Codiermatrix.

Pig. 3 bis 7 sind schematische Darstellungen anderer Ausführungsformen des erfindungsgemässen digitalen Mikrophons .

Pig. 8 zeigt eine andere Ausführung einer ^odiermatrix, wie · sie in den verschiedenen Ausführungen von digitalen Mikrophonen nach Pig.1 und 3 bis 7 verwendet werden kann.

Grundsätzlich besitzen alle im Polgenden beschriebenen Ausführungen des digitalen Mikrophons als ersten Bestandteil eine Membran zur Übersetzung der Schallwellen in eine Bewegung mit einer zu den Schallwellen proportionalen Amplitude. Als zweiten Bestandteil haben sie eine Codiermatrix für einen vorgegebenen digitalen Code und als dritten Bestandteil haben sie ein von der Bewegung des ersten Bestandteils abhängiges Mittel,

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das die periodische Erzeugung der digitalen Ausgangssignale durch den zweiten Bestandteil so steuert, dass sie die Amplitude der Sehallwellen wiedergeben·

Per hier gebrauchte Ausdruck "Membran¹¹ soll alle Mittel beinhalten, z.B. die Membran eines Membran-Mikrophons, ein Band oder einen Kegel, der sich durch eine Schallwelle und mit 4er Schallwelle bewegt. Es umfasst Druckmittel, Federmittel und Beschleunigungsmittel.

In Fig.1 ist eine Membran 1 gezeigt, die die Schallwellen empfängt und in eine zur Amplitude der Schallwelle proportionale Bewegung umsetzt. Mehrere lichtempfindliche Empfänger, sind in einer Codiermatrix 2 angeordnet. Eine Lichtquelle 3 wird durch eine Sammellinse 4 auf einen an der Membran 1 befestigten Spiegel 5 abgebildet. Der Spiegel 5 wird, zusammen mit der Membran bewegt. Das strahlenförmige licht von der Sammellinse 4 aus der Quelle 3 wird auf den Spiegel 5 und von dort zurückgeworfen, um die Matrix 2 zu markieren. Bin Taktgenerator 6 erzeugt periodische Impulse zur Abfrage der Matrix 2, um bei diesen periodischen Abfragen die' digitalen Ausgangssignale zu erzeugen, die dem benutzten vorgegebenen digitalen Code entsprechen. Eine Art, diese Abfragen durchzuführen, besteht darin, dass die Matrix 2 mehrere lichtempfindliche Empfänger besitzt, die durch die Abfrageimpulse des Taktgenerators 6 vorbereitend eingeschaltet werden und die einen Ausgang für die digitalen Ausgangs signale öffnen oder sperren, wenn sie vom Lichtstrahl der Quelle 3 erregt werden.

Figo2 zeigt eine binäre Codiermatrix, die an Stelle der Codiermatrix 2 in Fig.1 benutzt werden könnte. Die dunklen Flächen stellen die lichtempfindlichen Empfänger dar, z„B. Photozellen. Der linienförmige Lichtstrahl veranlasst, dass die Matrix, markiert wird und für jede Stelle des digitalen Code die binären Ausgangssignale erzeugt. Es ist .jedoch selbstverständlich, dass dies nicht die einzige, verwendbare Matrix ist· Ee wäre möglich, den umgekehrten Binärcode oder irgend einen der in der

. ." · - 5 . 809802/0327

Wissenschaft bekannten digitalen Code zu benutzen. Die Darstellung in Jig.2 ist nur als bildhaftes Beispiel anzusehen und nicht als Beschränkung des ümfangs der Erfindung gemeint.

In Fig.3 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen digitalen Mikrophons dargestellt. Sie enthält eine Codiermatrix 7, auf die der von der Elektronenröhre 8 erzeugte Elektronenstrahl trifft. Matrix 7 kann die Form von öffnungen haben, durch die der Elektronenstrahl auf Zielelektroden fällt, die, wenn sie abgefragt werden, einer Vorspannung die Erzeugung der Ausgangs signale ermöglichen.» Die Matrix 7 kann auch aus Elementen bestehen, die entsprechend dem vorgegebenen Code in einer Codiermatrix angeordnet sind und direkt den Elektronenstrahl wiedergeben, die aber so vorgespannt sind, dass ein Ausgang kein Signal abgibt, bis das Abfragesignal hinzugefügt wird. Die Bewegung der Membran 1 überträgt sieh auf den daran befestigten Magneten 9, dessen Magnetfeld den linienförmigen Elektronenstrahl über die Fläche der Matrix 7 ablenkt, wodurch während der Abfragezeiten die digitalen Ausgangssignale in der oben beschriebenen Weise erzeugt werden.

In Pig.4 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen digitalen Mikrophons dargestellt. Es enthält eine Membran zur Aufnahme und zur Übersetzung der Sehallwellen in Bewegung. Die Bewegung wird dem an der Membran 1 befestigten Hebel 10 mitgeteilt. Der Hebel 10 überträgt die Bewegung auf mehrere Bürsten oder"Kontakte 11, entsprechend der Stellenzahl des digitalen Codes, die daraufhin die Matrix 12 überstreichen,

, welche entsprechend dem speziellen digitalen.Code aus leitfähigen Elementen besteht. Die Matrix 12 wird durch das Taktzeichen des nicht dargestellten Generators abgefragt und die Stellung der Kontakte 11 in Matrix 12 ergibt die Ausgangssignale des vorgegebenen digitalen Code. Das Abfragezeichen kann z.B. jedem der leiter der Codiermatrix zugeführt werden, die . auf der Vorderseite eines Isolierblattes 14 angebracht sind und die Bürsten bringen für jede Codestelle diesen leiter mit

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Halbleitern 13 auf der Rückseite des Isolierblattes 14 in Be- · rührung. Dadurch wird der Stromkreis zwischen den Leitern in der Codiereinrichtung und den getrennten Leitern 13 geschlossen. Eine andere Ausführungsform der Codiermatrix würde aus einem Isolierblatt mit Öffnungen und aus Leitern 13 "bestehen, die pro Stelle des gegebenen digitalen Codes hinter den Öffnungen stehen. Das Abfragezeichen würde dann den Kontakten 11 zugeführt. Wenn die Kontakte 11 eine Öffnung finden, ist der Strompfad zu den Leitern 13 hergestellt. Dem Fachmann sind

Arten

viele andere bekannt, eine Cadiermatrix zur Erzeugung digitaler Impulse abzufragen.

In Fig.5 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen digitalen Mikrophons dargestellt. Die Membran 1 nimmt wieder die Schallwelle auf und übersetzt sie in eine Bewegung, Äi» proportional zur Amplitude der Sehallwelle ist. Die Bewegung wird dann auf eine bewegliche KondensatorpTatte 15 übertragen, die eine Codiermatrix aus mehreren einzelnen Leitern markiert, die entsprechend dem jeweiligen digitalen Code aufgebaut ist. So ist die feststehende Kondensatorpla'tte, die die Codiermatrix 16 bildet, kapazitiv mit der bewegliehen Kondensatorplatte 15 verbunden. Wenn die Platte 15 durch das Taktzeichen des Generators abgefragt wird, dann werden proportional zur Amplitude der Bewegung entsprechende Signale an den digitalen Ausgängen erzeugt, die somit auch der Amplitude der Schallwelle im Zeitpunkt der Abfrage entsprechen.

In Fig.6 ist eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemässen digitalen Mikrophons dargestellt. Sie enthält eine Lichtquelle 17 und eine Sammellinse 18 zur Erzeugung eines Lichtstrahls, der im Polarisierer 19 verarbeitet wird und dessen polarisiertes Licht zur druckempfindlichen Polarisiereinrichtung 20 weitergeleitet wird. Die Einrichtung 20 ist mit der Membran 1 über den Geschwindigkeits-Druck-Wandler 21 verbun den. Die Einrichtungen 19 und 20 mögen die im Folgenden beschriebene/ Wirkungsweise haben, um zu erreichen, dass der

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Lichtstrahl der Quelle 17 nur den Teil der Matrix 22 "beleuchtet, der die augenblickliche Amplitude der Eingangsschallwelle 'kennzeichnet. Die druckempfindliche Polarisiereinrichtung 20 wird verformt, in dem man sie zusammendrückt und auseinanderzieht, so dass nur an einer Linie, senkrecht zur zugeführten Membrankraft, die Polarisation mit der des einfallenden polarisierten Lichts der Einrichtung 19 übereinstimmt. Die Lage dieser Linie ändert sich mit dem Druck der Membran 1, so dass der Strahl, der durch die Einrichtung 20 hindurchtritt, nur den Teil der lichtempfindlichen Codiermatrix 22 beleuchtet, der der augenblicklich von der Membran 1 zugeführten Kraft entspricht und die Amplitude der Schallwelle wiedergibt.

Fig.7 zeigt eine weitere Ausfuhrungsform des' erfindungsgemässen digitalen Mikrophons mit magnetfeldempfindlichen Einrichtungen aus halbleitendem magnetischem Material, die entsprechend einem vorgegebenen digitalen Code als Codiermatrix 23 ausgebildet sind. Die Matrix 23 kann die in Pig.2 gezeigte Gestalt haben, in der die dunklen Flächen das magnetische Material oder das halbleitende magnetische Material darstellen. Ein an der Membran 1 befestigter Magnet 24 bewegt sich gemeinsam mit der Membran 1. Die Bewegung des Magneten 24 überträgt sich auf den A»m 25 aus magnetischem Material und markiert die Matrix 23. Das im Arm 25 vorhandene Magnetfeld sättigt den Teil der Matrix 23, der die Grosse der Bewegung der Membran 1 und damit die Amplitude der Schallwelle wiedergibt.

Ausgangsorgane, -z.B. Spulen, Halbleiterelemente oder Hall-Effekt-Elemente, sind magnetisch mit der Matrix 23 gekoppelt und sind entsprechend dem gesättigten Teil der Matrix 23 gekennzeichnet, um die digitalen Ausgangesignale zu erzeugen. Wenn der Magnet 24- ein Elektromagnet ist, der durch das Abfragezeichen erregt wird, dann können die Ausgangsorgane 26 Spulen sein, die die Anwesenheit des magnetischen Feldes wahrnehmen·

In allen bis hier beschriebenen digitalen Mikrophonen kann ein

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Schallwellenverstärker zwischen die. Schallquelle und die Membran1 eingefügt« werden, um die Wirksamkeit zu erhöhen. Man kann auch, entweder an einem nachfolgenden Verstärker oder an einer Einrichtung der Codiermatrix, eine Amplitudenbegrenzung am Mikrophon vornehmen*

Eine andere mögliche Variante liegt in der Codiermatrix selbst, wenn man die digitalen Ausgangssignale lieber in Form von Delta Modulation als in Form der gewöhnlichen, bekannten, binär codierten Ausgangssignale zu übertragen wunecht. Eine Ausfüh-. rungsmöglichkeit besteht darin, dass man zusammen mit irgend einem der oben beschriebenen Bewegungswandler eine Matrix 27 einsetzt, in der die maximal erlaubte Amplitude in eine Anzahl getrennter Bereiche 28 aufgeteilt ist, die gleich oder ungleich sein können. Das Mikrophon ist so eingerichtet, dass es in jedem Bereich ein positives Zeichen abgibt, wenn der Bereich bei wachsender Amplitude erreicht wird, und dass es ein negatives Zeichen abgibt, wenn der Bereich bei fallender •Amplitude erreicht wird. Diese Zeichen können einen Zähler schalten, dessen Ausgangssignale die gewünschte Ferm haben«

Wie in Fig.8 dargestellt, soll der Amplituden-Diskriminator und Zähler 29 mit der Matrix 27 zusammenarbeiten, um die oben beschriebenen positiven und negativen Zeichen zu erzeugen. Jeder der stufen 28 wird ein anderer Wert einer Spannung" zugeordnet und der Amplituden-Diskriminator stellt fest, ob die Spannung steigt oder fällt, wenn die Mikrophon-Abtasteinrichtung den Bereich wechselt. Der Ausgang des Diskriminators veranlasst dann den Zähler, das gewünschte digitale Ausgangssignal abzugeben· . ■ _%

Stäbe aus Fiberglas können zur Durchführung der Aufgaben oder zur Vereinfachung der Konstruktion derjenigen Anordnungen ver-... wendet werden, die mit Licht arbeiten.

Die Beschreibungen spezieller Anordnungen sind nur als Beispiele zur Erläuterung des Erfindungsgedankens gedacht und sollen keine Beschränkung auf den Umfang der Erfindung darstellen, die aus der Beschreibung und aus den Patentanspruch/ersichtlich ist. .

8 Patentansprüche

S Bl, Zeichnungen, 8 Fig. - 9 -

Claims

ISE/fceg. 2899 - 9 -

Patentansprüche

1. Digitales Mikrophon zur Umwandlung von Schallwellen in vorgegebene digitale Signale mit einer Membran (1) zur Umwandlung der Schallwellen in eine Bewegung, dadurch gekennzeichnet, dasstfi^ einer öodiermatrix (2 in Mg.1, 7 in Mg.3, 12 in Fig.4»~1,6 in Fig.5, 22 in Fig. 6 und 23 in fig. 7, z.B. Pig.2) aus der Bewegung der Membran (1) direkt digitale Ausgangssignale erzeugt werden, deren vorgegebener Code der Amplitude der Schallwelle entspricht.

2. Digitales Mikrophon nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Öodiermatrix ( 2 in Fig.1, 7 in Fig. 3, 12 in Fig.4, 16 in Fig.5, 22 in Mg.6 und 23 in Fig.7, z,B. Fig.2) analog zur Bewegung der Membran (1) markiert wird und dass eine besondere Einrichtung (6) durch Abfragen die Erzeugung der digitalen Ausgangssignale veranlasst, deren vorgegebener Code der Amplitude der Schallwelle entspricht.

3. Digitales Mikrophon nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Codiermatrix (27) ein jüaplituden-Diskriminator und Zähler (29) vorhanden sind, die die digitalen Ausgangssignale in einer deltamodulierten Form abgeben.

4. Digitales Mikrophon nach Anspruch 1, dadurch-gekennzeichnet, dass als Codiermatrix (2 in Fig.1 und 22 in Fig. 6) eine Gruppe lichtempfindlicher Empfänger angeordnet ist, die von einem proportional zur Amplitude der Schallwelle abgelenkten Lichtstrahl überstrichen wird und auf Abfrage des Taktgenerators (6) die digitalen Ausgangssignale abgibt.

5. Digitales Mikrophon nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Codiermatrix (7) eine Gruppe von Zielelektroden in einer Elektronenstrahlröhre angeordnet ist, die von einem pro-, portional zur Amplitude der Schallwelle abgelenkten Elektronenstrahl überstrichen wird. ' ' -

27.5.1964 _ ₁₀

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ISE/Reg, 2899 - 19 -

6β Digitales Mikrophon nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Codiermatrix (12) eine Reihe von Leitern angeordnet ist, die entsprechend der Amplitude der Schallwelle durch Bürsten (11) mit einem Halbleiter (13) verbunden wird.

7ο Digitales Mikrophon nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Codiermatrix (16) eine Eeihe von Leitern angeordnet ist, die entsprechend der Amplitude der Schallwelle die kapazitive Kopplung zweier Kondensatorplatten herstellt»

8. Digitales Mikrophon nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Codiermatrix (23) ein halbmagnetisches Material verwendet wird, das entsprechend der Amplitude der Schallwelle in einzelnen Bezirken durch einen Magneten (24) gesättigt wirdo

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