DE19826565C2 - Optischer Schallsensor, insbesondere Mikrofon - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Schallsensor, insbesondere ein Mikrofon, mit einem an eine Lichtquelle gekoppelten Sende-Lichtwellenleiter, einem an einen optoelektrischen Wandler gekoppelten Empfangs-Lichtwellenleiter und mindestens einem durch Schall ausgelenkten Membran mit einer Spiegelfläche, die die Enden der beiden Lichtwellenleiter miteinander koppelt, wobei die Membran rechtwinklig zur Spiegelfläche ausgelenkt wird und das Licht schräg auf diese auftrifft.

Optische Schallsensoren bzw. damit aufgebaute Mikrofone, die nach dem Lichtintensitätsverfahren arbeiten, verwenden Lichtwellenleiter (LWL), um einerseits das Licht von einer Lichtquelle, beispielsweise von einer lichtemittierenden Diode, in das Mikrofongehäuse hineinzuleiten und andererseits das durch das akustische Signal intensitätsmodulierte Licht aus dem Mikrofon zu einem Photodetektor, beispielsweise zu einer Photodiode, zurückzuleiten.

Das Prinzip solcher optischer Mikrofone ist in "ACUSTICA", International Journal on Acoustics, Vol. 73, 1991, Seiten 72 bis 89 beschrieben. Die bekannten Aus­ führungen von optischen Mikrofonen weisen jeweils einen Sende- und Empfangs- Lichtwellenleiter sowie eine reflektierende Membran auf. Das aus dem Sende-Licht­ wellenleiter austretende Lichtbündel wird auf die Membran gerichtet, von dieser reflektiert und erzeugt einen Lichtfleck im Bereich der Stirnfläche des Empfangs- Lichtwellenleiters. Durch die vom Schall verursachte Membranbewegung kommt es zu einer Lichtfleckverschiebung und dadurch zu einem unterschiedlich großen Lichteinfall am Empfangs-Lichtwellenleiter, so daß sich der Überdeckungsgrad von Lichtfleck einerseits und Stirnfläche des Empfangs-Lichtwellenleiters andererseits, ändert. Dadurch wird die Intensität des empfangenen Lichts moduliert und kann mit Hilfe eines an den Empfangs-Lichtwellenleiter angeschlossenen Photodetektors in ein elektrisches Signal umgewandelt werden, welches als übliches Mikrofonsignal weiterverarbeitet werden kann. Der erzeugte Lichtfleck hat etwa den Durchmesser des Sende-Lichtwellenleiters. Der optische Modulationsgrad, der die Wandler­ empfindlichkeit des Mikrofons bestimmt, ist bei gegebener Lichtfleckverschiebung um so größer, je kleiner der Durchmesser des Lichtflecks und der Durchmesser des Empfangs-Lichtwellenleiters ist, je dünner also beide Lichtwellenleiter sind.

Nachteilig bei der Verwendung dünner Lichtwellenleiter ist jedoch, daß nur ein Teil des von der Lichtquelle erzeugten Lichts in den Lichtwellenleiter eingekoppelt wird. Je geringer jedoch die eingekoppelte Lichtintensität ist, desto ungünstiger ist das Signal-Rauschverhältnis des Ausgangssignals.

Bei den bekannten optischen Mikrofonen bilden Sende- und Empfangs-Lichtwellen­ leiter einen Winkel zueinander (Spreizwinkel), um eine Strahlverschiebung als Folge der Membranbewegung zu erreichen, wobei der optische Modulationsgrad, der die Mikrofonempfindlichkeit bestimmt, mit dem Spreizwinkel zunimmt. Um eine große Empfindlichkeit zu erreichen, muß der Spreizwinkel daher möglichst groß sein. Andererseits wächst bei großem Spreizwinkel der Raumbedarf des Mikrofons, der erforderlich ist, um die gespreizten Lichtwellenleiter wieder in einen zueinander parallelen Verlauf zu überführen. Dabei dürfen aus mechanischen und optischen Gründen gewisse Biegeradien der Lichtwellenleiter nicht unterschritten werden, so daß entsprechender Raum im Mikrofon sowohl im Durchmesser als auch in der Län­ ge vorgesehen werden muß und sich eine unerwünschte Vergrößerung der Bauform ergibt. Eine gewisse Verbesserung läßt sich mit optischen Sensoren bzw. Mikrofon­ en gemäß EP-A 0 716 291 erreichen. Bei der in dieser Anmeldung beschriebenen Lösung sind die vorderen Enden der Lichtwellenleiter schräg angeschliffen, so daß Lichtbrechung an den Stirnflächen entsteht und wegen der fehlenden Kanten die Enden näher an der Membran angeordnet werden können. Hierdurch ergibt sich auch eine kleinere Divergenz des Lichtstrahls.

Allen bekannten optischen Mikrofonen ist außerdem gemeinsam, daß die Spiegelung nur in einem sehr kleinen Bereich der Membran, also gewissermaßen in einem Punkt, erfolgt. Dadurch wird die Membranbewegung nicht in ihrer Gesamtheit erfaßt. Liegt der Abtastpunkt bei bestimmten Anregungsfrequenzen bzw. bei bestimmten Verformungen der Membran (Eigenmoden) auf einem Schwingungs­ knoten oder -bauch, ergeben sich störende Empfindlichkeitsschwankungen und Aufnahmeverfälschungen.

Aus der DE-OS 40 18 998 ist ein faseroptischer Drucksensor eines Druckmess­ kopfes bekannt, bei dem eine eine Hubbewegung ausführende Membran mit einer hochreflektierenden Verspiegelung versehen ist. Ein Lichtwellenleiter ist mit seiner Stirnfläche vor dieser Verspiegelung angeordnet und auf diese ausgerichtet. Die Stirnfläche des Lichtwellenleiters ist teilreflektierend ausgeführt, so dass durch die hochreflektierende Verspiegelung der Membran-Innenseite und durch die teilreflek­ tierende Stirnfläche des Lichtwellenleiters ein Fabry-Perot-Resonator gebildet wird.

Aus einem Aufsatz "Fiber-Optic Microphoners for Optical Communication Systems" aus Telecommunications and Radio Engineering 43 (1988) May, No. 5, New York, US, Seiten 32-37 sind optische Mikrofone bekannt, bei denen im Strahlengang zwischen einem Sende-Lichtwellenleiter und dem Empfangs-Lichtwellenleiter angeordnete Spiegelflächen vorgesehen sind, um den Lichtstrahl mehrmals auf die Membranfläche zu reflektieren. Es wird hierbei insbesondere auf Fig. 4 der Seite 35 verwiesen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Empfindlichkeit solcher Schallsensoren, insbesondere Mikrofone, sowie deren Aufnahmequalität zu verbes­ sern, ohne das ein größerer Raumbedarf besteht.

Diese Aufgabe wird bei einem optischen Schallsensor, insbesondere Mikrofon, der eingangs genannten Art dadurch verbessert, daß ein etwa rechtwinklig zur Spiegelfläche der Membran angeordneter stationärer Spiegel vorgesehen ist, und daß die Lichtwellenleiter auf der dem Spiegel gegenüberliegenden Seite angeordnet sind. Diese Maßnahme ist zur Unterdrückung von Körperschall vorteilhaft, weil dann die Lichtwellenleiter nicht im wesentlichen senkrecht zum Auslenkkörper, sondern im wesentlichen parallel zu diesem angeordnet sind.

In einer solchen Ausbildung sind die Lichtwellenleiter vorteilhafterweise in einem verhältnismäßig spitzen Winkel derart auf die Spiegelfläche der Membran gerichtet, daß der Strahlengang von einem der Lichtwellenleiter über den Spiegel schräg auf die Spiegelfläche der Membran trifft und von dieser schräg reflektiert zu dem anderen Lichtwellenleiter gelangt. Dies bedeutet, daß der Winkel zwischen der Membran und dem Lichtwellenleiter kleiner ist als 45°. Es wurde nämlich festgestellt, daß bei den bekannten optischen Mikrofonanordnungen der un­ erwünschte Körperschalleffekt besonders stark in Erscheinung tritt, weil die Lichtwellenleiter im wesentlichen senkrecht zur Membran ausgerichtet sind, das heißt der Winkel zwischen Membran und Lichtwellenleiter größer als 45° ist. Die im wesentlichen parallele Anordnung zwischen Lichtwellenleiter und Membran ermöglicht einerseits einen besonders wünschenswerten flachen Aufbau des Mikrofons und andererseits auch einen zur Membran flachen Lichtstrahlverlauf, der eine vorteilhaft große Mikrofonempfindlichkeit ergibt. Außerdem wird auf diese Weise eine wirksame Unterdrückung des unerwünschten Körperschalls erreicht, der mechanisch über die verhältnismäßig starren Lichtwellenleiter zum Mikrofon übertragen wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Schallsensors für ein Mikrofon ist dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der Spiegelfläche des Auslenkkörpers die Lichtwellenleiter parallel zueinander angeordnet sind und die Spiegelungsfläche der Spiegelungseinrichtung im wesentlichen senkrecht zur Spiegelfläche des schallempfindlichen Spiegelungskörpers angeordnet ist.

Diese Ausführungsform mit einem zweiten Auslenkkörper in der Form einer Membran hat den Vorteil, daß sich bei dieser Anordnung die Mikrofonempfindlich­ keit verdoppelt, wenn beide Membranen durch den Schall gegensinnig zueinander bewegt werden. Bei gleichsinniger Bewegung der Membranen heben sich die optischen Effekte auf, so daß hierdurch auch die durch Körperschall unerwünschten Störungen reduziert werden.

Wird der Sende-Lichtwellenleiter durch eine Lichtquelle gespeist, die divergierende Lichtstrahlen - wenn auch nur schwach divergierend - aussendet, so entsteht bei Mehrfachreflexionen zwischen der Membran und der zusätzlichen Spiegelungsein­ richtung ein immer breiteres Strahlenbündel, was die Empfindlichkeit des Mikrofons herabsetzt. Aus diesem Grunde wird als Lichtquelle vorzugsweise eine Laserquelle mit nicht divergierendem Lichtstrahl verwendet. Es ist jedoch auch möglich, eine Lichtquelle mit (schwach) divergierendem Lichtstrahl zu verwenden, z. B. eine LED, und der Stirnfläche des Sende-Lichtwellenleiters eine Kollimatorlinsenanordnung nachzuschalten, um einen weitgehend parallelen Ausgangslichtstrahl zu erhalten.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Aus­ führungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen stellen dar:

Fig. 1a Querschnitt durch einen bekannten optischen Schallsensor;

Fig. 1b Darstellung der Modulationswirkung bei Auslenkung der Membran;

Fig. 2 Querschnittsdarstellung eines ebenfalls bekannten optischen Schallsensors;

Fig. 3 Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen optischen Schallsensors gemäß einer ersen Ausführungsform;

Fig. 4 Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen optischen Schallsensors gemäß einer zweiten Ausführungsform; und

Fig. 5-7 Querschnittsansichten weiterer erfindungsgemäßer optischer Schallsensoren bzw. Mikrofonen, bei denen die Lichtwellen­ leiter im wesentlichen parallel zur Membran angeordnet sind.

Fig. 1a zeigt eine Querschnittsansicht eines bekannten optischen Schallsensors oder Mikrofons, wie es beispielsweise in ACUSTICA, Vol. 73 (1991), Seiten 72 bis 89 offenbart ist. Es werden zwei Lichtwellenleiter, ein Sende-Lichtwellenleiter 1 und ein Empfangs-Lichtwellenleiter 2, so gegenüber einem als verspiegelte Membran ausgebildeten schallempfindlichen Auslenkkörper 3 angeordnet, daß das von einer Lichtquelle 14 kommende und von einem Lichtwellenleiter 1 abgestrahlte Licht 4 über die Membran 3 teilweise in den zweiten Lichtwellenleiter 2 eingekoppelt wird.

Wie in Fig. 1b zu sehen, überdeckt in Ruhelage der Membran 3 (in den Figuren als durchgezogene Linie dargestellt) der von der Membran 3 zurückgespiegelte Licht­ fleck 5 nur zum Teil die Eingangsöffnung des zweiten Lichtwellenleiters 2. Wird nunmehr die Membran 3 ausgelenkt (punktierte Linie), beispielsweise in Richtung der Lichtwellenleiter, so ändert sich der Überdeckungsgrad, wodurch bei Messung des im Lichtwellenleiter 2 empfangenen Lichts 5 bzw. 5a mittels eines Photodetektors 19 ein entsprechend verändertes elektrisches Signal erzeugt wird.

Fig. 2 zeigt die Querschnittsansicht eines ebenfalls bekannten optischen Mikrofons, wie es in der europäischen Patentanmeldung EP 0 716 291 A2 (siehe dort Fig. 3) offenbart ist. Bei dieser Lösung sind die beiden Lichtwellenleiter 1 und 2 an ihrem vorderen Ende angeschrägt, was zur Folge hat, daß keine vorstehenden Kanten stören und die Enden der Lichtwellenleiter 1, 2 näher an der Membran 3 angeordnet werden können. Außerdem wird das austretende Licht an der Austrittsoberfläche gebrochen und der Auftreffwinkel des Lichts auf der Membran 3 ist flacher als der Winkel der Lichtwellenleiter zur Membran. Grundsätzlich ändert dies jedoch nichts daran, daß nach wie vor ein relativ großer Spreizwinkel der Lichtwellenleiter 1, 2 zueinander erforderlich ist.

Fig. 3 zeigt eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Schallsensors, bei dem der Sende-Lichtwellenleiter 1 und der Empfangs-Licht­ wellenleiter 2 im wesentlichen zueinander parallel verlaufen und auch im wesentli­ chen parallel zur Membran 3 angeordnet sind. Ein Spiegel 26 ist in den Strahlweg zwischen Sende-Lichtwellenleiter 1 und Empfangs-Lichtwellenleiter 2 gelegt, so daß das von der Spiegelfläche 3a der Membran 3 kommende Licht vom Empfangs- Lichtwellenleiter 2 empfangen werden kann. Zur genauen Ausrichtung der Lichtwellenleiter werden deren Enden leicht gekrümmt ausgeführt.

Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform. Hierbei sind die beiden Lichtwellenleiter 1, 2 parallel zueinander ausgerichtet, so daß auch der Winkel zwischen der Membran 3 und den Lichtwellenleitern 1, 2 gleich ist, vorzugsweise kleiner als 20°.

Die beiden Ausführungsformen nach den Fig. 3 und 4 haben den Vorteil, daß die Lichtwellenleiter 1, 2 nicht in einem stumpfen Winkel auf den Auslenkkörper bzw. die Membran 3 ausgerichtet sind, sondern in einem spitzen Winkel. Auf diese Weise werden über die Lichtwellenleiter 1, 2 eingekoppelten Körperschallstörungen an der Membran 3 weniger wirksam, da deren Bewegungskomponente in Richtung der Membranauslenkung weniger groß ist. Eine weitere Verbesserung der Unempfind­ lichkeit gegenüber Körperschall bieten die nachfolgend beschriebenen Ausführungs­ formen nach den Fig. 5 bis 7.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen optischen Mikrofons, wobei eine zusätzlich zweite Membran 13 mit einer Spiegelfläche 13a gegenüberliegend zur ersten Membran 3 angeordnet ist und der Sende-Licht­ wellenleiter 1 der ersten Membran 3 und der Empfangs-Lichtwellenleiter 2 der zweiten Membran 13 zugewandt ist. Dies wird durch wie in Fig. 5 beispielsweise durch eine leichte Krümmung der den Membranen 3, 13 zugewandten Enden der Lichtwellenleiter 1, 2 erreicht. Die Darstellung zeigt den besonderen Fall einer für die Praxis vorteilhaften symmetrischen Anordnung mit zueinander parallelen gleichartigen Membranen 3, 13 und einem senkrecht zu den beiden Membranen angeordneten Spiegel 26. Vorteilhafterweise verdoppelt sich bei dieser Anordnung die Mikrofonempfindlichkeit, wenn beide Membranen 3, 13 durch den Schall gegensinnig zueinander bewegt werden. Bei gleichsinniger Bewegung der Membranen heben sich die optischen Effekte auf. Da eine gleichsinnige Bewegung der Membranen 3, 13 vornehmlich durch den unerwünschten Körperschall hervor­ gerufen wird, wird durch diese Anordnung eine besonders wirksame Körper­ schallunterdrückung erreicht, wenn beide Membranen gleichartig beschaffen sind.

Fig. 6 zeigt eine gegenüber Fig. 5 leicht veränderte Anordnung eines optischen Mikrofons, bei der zusätzliche Spiegel 27, 28 vorgesehen sind, die beispielsweise als Seitenflächen eines im Querschnitt keilförmigen Teils ausgebildet sein können. Durch passende Wahl des Keilwinkels kann man eine Lichtführung erreichen, die eine vollständig parallele Anordnung der beiden Enden der Lichtwellenleiter 1, 2 zueinander ermöglicht.

Fig. 7 zeigt eine weitere Ausbildung eines optischen Mikrofons, die der Aus­ führungsform nach Fig. 6 ähnlich ist. Auch diese Ausführungsform enthält zusätzliche Spiegel 26, 27 und 28 zur entsprechenden Strahlumlenkung, und die beiden Lichtwellenleiter 1, 2 werden parallel zueinander eingeführt. Die Spiegel 27 und 28 sind jedoch steiler angeordnet, so daß der Lichtstrahl vom Sende-Licht­ wellenleiter 1 über den Spiegel 27 zur Membran 3, von dort zur Membran 13, von dort wieder zur Membran 3, von dort über den Spiegel 26 zur Membran 13, von dort wieder zur Membran 3, über die Membran 13 und den Spiegel 28 zum Empfangs-Lichtwellenleiter 2 reflektiert wird. Es erfolgt also eine Mehrfachreflexion, nämlich je dreimal an jeder der beiden Membranen 3, 13, so daß sich hierdurch eine wesentlich höhere Mikrofonempfindlichkeit ergibt.

Selbstverständlich ist es möglich, anstelle der verschiedenen Spiegelflächen zur Darstellung der zusätzlichen Spiegelungseinrichtung auch andere optische Strahlumlenkvorrichtungen zu verwenden, um die gewünschte Umlenkung des Lichtstrahls zwischen den Lichtwellenleitern 1, 2 und der Spiegelfläche 3a bzw. 13a der Membran 3 bzw. 13 zu erreichen.

In den beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde der Strahlengang zwischen den Lichtwellenleitern 1, 2 als ein Strahl 4 bzw. 5 gezeichnet, und der durch Aus­ lenkung der Membran 3 gegenüber dem Empfangs-Lichtwellenleiter 2 verschobene Lichtstrahl wurde mit 5a angegeben. Hier handelt es sich selbstverständlich nicht nur um einen einzigen Lichtstrahl, sondern um ein Lichtstrahlbündel, das bei einer normalen Lichtquelle (Glühlampe oder LED) mehr oder weniger divergiert. Ins­ besondere bei einer Mehrfachreflexion zwischen der Membran 3 und der zusätzli­ chen Spiegelungseinrichtung 26 wird durch Divergieren das Strahlenbündel immer breiter, was die Empfindlichkeit des Mikrofons reduziert.

Aus diesem Grunde ist es insbesondere bei der Mehrfachreflexion erforderlich, aus dem Sende-Lichtwellenleiter 1 ein nicht divergierendes Lichtstrahlbündel auszusen­ den, was z. B. durch Speisung mit einer Laserquelle mit nicht divergierendem Lichtstrahl als Lichtquelle 14 erfolgt. Es ist jedoch auch möglich, eine Lichtquelle 14 mit (leicht) divergierendem Lichtstrahl, z. B. eine LED, zu verwenden und das aus dem Sende-Lichtwellenleiter 1 an der Stirnfläche austretende Licht durch eine im Anschluß angeordnete Kollimatorlinsenanordnung zu einem weitgehend parallelen Strahl zu bündeln.

Claims (6)

1. Optischer Schallsensor, insbesondere Mikrofon, mit einem an eine Licht­ quelle gekoppelten Sende-Lichtwellenleiter (1), einem an einen optoelektrischen Wandler gekoppelten Empfangs-Lichtwellenleiter (2) und mindestens einer durch Schall ausgelenkten Membran (3) mit einer Spiegelfläche, die die Enden der beiden Lichtwellenleiter (1, 2) miteinander koppelt, wobei die Membran (3) rechtwinklig zur Spiegelfläche ausgelenkt wird und das Licht schräg auf diese trifft, dadurch gekennzeichnet, daß ein etwa rechtwinklig zur Spiegelfläche der Membran (3) angeordneter, stationärer Spiegel (26) vorgesehen ist, und daß die Licht­ wellenleiter (1, 2) auf der dem Spiegel (26) gegenüberliegenden Seite angeordnet sind.

2. Schallsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtwellenleiter (1, 2) in einem verhältnismäßig spitzen Winkel derart auf die Spiegelfläche der Membran (3) gerichtet sind, daß der Strahlengang von einem der Lichtwellenleiter (1) über den Spiegel (26) schräg auf die Spiegelfläche der Membran (3) trifft und von dieser schräg reflektiert zu dem anderen Lichtwellenleiter (2) gelangt.

3. Schallsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der beiden Lichtwellenleiter (1, 2) parallel zueinander verlaufen.

4. Schallsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zu der Spiegelfläche (3a) der Membran (3) eine Spiegelfläche (13a) einer weiteren Membran (13) angeordnet ist, und daß die Strahlrichtung des einen Lichtwellenleiters (1) schräg auf die Spiegelfläche (3a) der einen Membran (3) und die Strahlrichtung des anderen Lichtwellenleiters (2) schräg auf die Spiegelfläche (13a) der anderen Membran (13) gerichtet ist, derart, daß der Strahlengang von dem einen Lichtwellenleiter (1) über die Spiegelfläche (3a) der einen Membran (3), über den Spiegel (26) und über die Spiegelfläche (13a) der anderen Membran (13) zum anderen Lichtwellenleiter (2) verläuft.

5. Schallsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden der beiden Lichtwellenleiter (1, 2) parallel zueinander verlaufen und daß zur Umlenkung der Strahlrichtung zwischen den Lichtwellenleitern (1, 2) und den Spiegelflächen (3a, 13a) der beiden Membranen (3, 13) Umlenkspiegel (27, 28) angeordnet sind.

6. Schallsensor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Auftreffwinkel auf die Spiegelflächen (3a, 13a) der Membranen (3, 13) so gewählt ist, daß eine Mehrfachreflexion zwischen den Spiegelflächen (3a, 13a) erfolgt, bevor der rechtwinklig angeordnete Spiegel (26) erreicht wird.