DE19835947C2 - Optisches Mikrofon - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem optischen Mikrofon gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es aus Garthe, D.: "Ein rein optisches Mikrofon", ACUSTICA, Vol. 73 (1991), Seiten 72 bis 89 bekannt ist.

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.

Aus der US 3 622 791 A ist bereits ein optisches Mikrofon bekannt, das nach dem optischen Interferenzverfahren arbeitet. Im mittleren Bereich einer eingespannten Membran ist bei einer ersten Ausführungsform ein ebener Spiegel aufgeklebt, und die Lichtstrahlen einer Lichtquelle erreichen über einen festen, halb durchlässigen Spiegel zum einen eine Photodiode auf direktem Wege, und zum anderen gelangen sie auf den Spiegel der Membran und werden auf die Photodiode reflektiert. Da die Membran sich senkrecht zur Spiegeloberfläche bewegt, wird die Laufzeit der vom Spiegel reflektierten Lichtstrahlen gegenüber den direkten Strahlen variiert, so daß ein Interferenzsignal zwischen beiden ausgewertet werden kann. Bei weiteren Ausführungsformen sind über den Bereich der Membran in der Dicke gestufte Spiegel aufgeklebt, um auch hierüber nach dem Interferenzverfahren auswertbare Signale auf entsprechenden Photodioden zu erzielen. Wie auch am Ende des vorstehend zitierten Aufsatzes in "ACUSTICA" erwähnt (siehe hierzu insbesondere den Abschnitt "Freilaufende Interferometer"), ist die Realisierung von optischen Mikrofonen nach diesem Prinzip jedoch mit großen Schwierigkeiten verbunden, so daß diese Linie nicht weiterverfolgt wurde.

Bei optischen Mikrofonen der erstgenannten Art nach dem Lichtintensitätsverfahren wird eine flach ausgedehnte Membran aus beschichteter Kunststofffolie verwendet, die am Rand eingespannt ist und unter mechanischer Zugspannung steht. Um eine möglichst hohe Mikrofonempfindlichkeit zu erreichen, muß die vom Schall verursachte Membranauslenkung möglichst groß gemacht werden. Um bei einem bestimmten Schalldruck eine große Membranauslenkung zu erzielen, müßte die mechanische Nachgiebigkeit der Membran groß, die Membran also weich sein. Die Membrannachgiebigkeit kann allerdings nicht beliebig erhöht werden, weil hierdurch bei bestimmter Membranmasse die Resonanzfrequenz zu sehr verringert wird und dadurch die Übertragungseigenschaften des Mikrofons bei hohen Frequenzen beeinträchtigt werden. So wird beispielsweise bei Mikrofonen, die als sogenannte Druckempfänger arbeiten, die Grenze des Übertragungsbereichs bei hohen Frequenzen durch die Resonanzfrequenz bestimmt.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Empfindlichkeit von optischen Mikrofonen zu verbessern, ohne deren Aufnahmequalität zu ver­ schlechtern.

Diese Aufgabe wird mit einem optischen Mikrofon gemäß Anspruch 1 gelöst. Bei dem erfindungsgemäßen Mikrofon ist die Masse der Membran erheblich reduziert, so dass bei gleicher Resonanzfrequenz des Mikrofons die Nachgiebigkeit der Membran und damit die Mikrofonempfindlichkeit erhöht werden kann.

Vorzugsweise besteht das Substrat aus PET-Folie und ist vorzugsweise mit einer Goldschicht als Spiegelfläche versehen. Da die Membranauslenkung in der Mitte der Membranfläche am größten ist, wird die partielle Spiegelfläche zweckmäßigerweise in der Mitte der Membran angeordnet.

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

Fig. 1a Querschnitt durch ein bekanntes optisches Mikrofon;

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

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines optischen Mikrofons, bei dem die Membran ganzflächig mit einer Spiegelfläche versehen ist; und

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines optischen Mikrofons mit einer Membran gemäß der vorliegenden Erfindung;

Fig. 1a zeigt eine Querschnittsansicht eines bekannten optischen 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 einer verspiegelten Membran 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 Photodetek­ tors 19 ein entsprechend verändertes elektrisches Signal erzeugt wird.

In den Fig. 2 und 3 sind schematisch im Schnitt in zwei Ausführungsformen die wesentlichen Teile eines optischen Mikrofons dargestellt ist, deren Aufbau ähnlich ist wie in Fig. 1, wobei die in einer Halterung 6 eingespannte Membran 3 jedoch unterschiedlich gestaltet ist. In Fig. 2 besteht die Membran 3 aus einem Substrat 3b aus einer Kunststoffolie, die mit einer Spiegelschicht 3a aus vorzugsweise Gold ganzflächig beschichtet ist. Ein solcher Aufbau hat gegenüber einer reinen Metallmembran schon eine geringere Masse.

In Fig. 3 ist jedoch gezeigt, daß die in der Halterung 6 eingespannte Membran 3 aus einer Kunststoffolie als Substrat 3b besteht, die nur im Bereich der Reflexion des Lichtstrahls 4 mit einer Spiegelfläche 3a, vorzugsweise aus Gold, versehen ist. Die in Fig. 3 gezeigte Membran 3 ist deutlich leichter und hat damit eine geringere Masse, so daß sich bei gegebener Nachgiebigkeit der Membran eine höhere Resonanzfrequenz ergibt, oder bei gegebener Resonanzfrequenz die Nachgiebigkeit erhöht werden kann.

Die Resonanzfrequenz f ist von dem Produkt von Membrannachgiebigkeit N und Membranmasse M abhängig nach der bekannten Formel

Da die metallische Reflexionsschicht 3a eine bestimmte Mindestdicke erfordert, um gute Reflexionseigenschaften zu erreichen, ist die erforderliche Dicke z. B. 0,2 µm. Die Stärke der Kunststoffolie, vorzugsweise PET-Folie (Mylar), liegt im Bereich von 1 µm. Dies bedeutet, daß bei einem spezifischen Gewicht von 19,3 g/cm³ für Gold und 1,33 g/cm³ für die Kunststofffolie sich die Gesamtmasse z. B. bei einer Beschichtung der Membranfläche von nur 10% etwa um den Faktor 3 vermindert.

Claims (4)

1. Optisches Mikrofon mit einem an eine Lichtquelle (14) gekoppelten Sende-Lichtwellenleiter (1), einem an einen optoelektrischen Wandler (19) gekoppelten Empfangs-Lichtwellenleiter (2) und mindestens einer Mem­ bran (3) mit einer Spiegelfläche (3a), die die Enden der beiden Lichtwellen­ leiter (1, 2) miteinander koppelt, wobei die Membran (3) rechtwinklig zur Spiegelfläche (3a) ausgelenkt wird und das Licht schräg auf diese trifft und die Membran aus einem Substrat (3b) aus elastischer Kunststofffolie be­ steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran nur im eng begrenzten Auf­ treffbereich des Lichts mit einer dünnen Spiegelfläche (3a) beschichtet ist.

2. Optisches Mikrofon nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (3b) aus einer PET-Folie besteht.

3. Optisches Mikrofon nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststofffolie (3b) mit einer Goldschicht als Spiegelfläche (3a) versehen ist.

4. Optisches Mikrofon nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiegelfläche (3a) auf der Membran (3) in der Mitte der Membranfläche angeordnet ist.