DE2853336A1

DE2853336A1 - Optisches mikrofon

Info

Publication number: DE2853336A1
Application number: DE19782853336
Authority: DE
Inventors: Arnold Dipl Phys Dr Sander
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1978-12-09
Filing date: 1978-12-09
Publication date: 1980-06-26
Also published as: FR2443698A1; JPS5582599A; SE7910120L

Description

Deutsche Bundespost 2144

Die Erfindung "betrifft ein optisches Mikrofon, al® einen akuetooptisehen Wandler, "bei dem Veränderungen des Schalldrucks eine Veränderung der Lichtintensität bewirken.

Derartige optische Mikrofone sind insbesondere für optische Teilnehmerstationen in einem auf der Basis von Lichtleitfasern aufgebauten optischen Kommunlkationsnetz von Interesse«. Will man bei solchen Netzen die in Fernsprechortsnetzen bewährte zentrale Speisung beibehalten, so muß diese Speisung ebenfalls optisch erfolgen und anstelle elektroakustischer Wandler müssen opto-akustisohe Wandler zur Anwendung gelangen.

Teilnehmerstationen für derartige optische Kommunikationsnetze sind beispielsweise durch die DE-OS 27 08 606.2 bekannt. Dort dienen die Lichtleitfasern außer zur Übertragung der KommunikationsSignaIe auch zur Übertragung der zum Verbindungsaufbau und -abbau erforderlichen Signale sowie zur Übertragung von Energie in Form von Licht zur Energieversorgung der Teilnehmerstation. Als akusto-optischer Wandler wird in der Vorveröffentlichung die Ausnutzung des elasto-akustischen Effekts vorgeschlagen, bei welchem Licht an einer akkustischen Welle gestreut wird.

Die Erfindung hat die Aufgabe, eine verbesserte Bauart für ein optisches Mikrofon anzugeben, das eine verhältnismäßig hohe Empfindlichkeit aufweist.

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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch folgende Merkmale gelöst:

1. drei Abschnitte von Lichtleitfasern sind in geringem Abstand hintereinander angeordnet und optisch miteinander gekoppelt,

2. die erste Wandlereingangsfaser wird mit einem Lichtstrom konstanter Intensität gespeist,

3. die mittlere eigentliche Wandlerfaser ist mit einer quer zur Faserachse schwingenden Membrane derart verbunden, daß

4- bei Schalleinwirkung eine Änderung der Koppelfläche zwischen Wandlerfaser und Wandlerein- bzw. Wandlereusgangsfaser eintritt, und

5. die dritte Wandlerausgangsfaser einen intensitätsmodulierten Lichtstrom abgibt.

Für die Wandlerfaser, die Wandlereingangsfaser und die Wßndlerausgangsfaser werden optische Fasern mit koaxialem Aufbau benötigt, die einen Kern von einigen

Durchmesser besitzen, während der Mantel 00 bis 150 yum dick ist, d.h. also Einwellentypenfaeern. Die verwendung von Vielwellentypfasern mit einem Kern von etwa 10 bis 20 /um Durchmesser ist zwar grundsätzlich möglich, jedoch wird hierdurch die Empfindlichkeit des Mikrofons herabgesetzt. Die Empfindlichkeit ist nämlich um so größer, Oe kleiner der Kernquerschnitt gewählt wird. Es kommen Quarzglasfasern, Glasfasern sowie die flexibleren Kunstetoffasern für die Anwendung im Mikrofon in Betracht.

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DaB optische Mikrofon wirä mit einer Mikrofonspelsefaser, die das benötigte Licht konstanter Intensität liefert, und mit einer Mikrofonfaser_s die das modulierte Licht abführt, verbunden. Hierfür sind Vielwellentypfaaern geeignet. Da die Wandlereingangsfaser und die Wandlerausgangsfaser Einwellentypfasern sind, müssen infolge der unterschiedlichen EerndurchmesBer zur Kopplung besondere Koppelelemente benutzt werden. Andererseits ließe sich das Licht auch über Einwellentypfasern " zu- und abführen.

Als Koppelelemente können kurze Stüoke von Gradientenfasern verwendet werden, die die Rolle von Linsen spielen.

!Das optische Mikrofon läßt sich als Sprechkapsel eines elektro-optischen Telefonapparates verwenden, dessen Handapparat eine elektrooptisch^ Hörkombination besitzt. Bei einer derartigen Kombination von optischen Mikrofonkapsel mit elektrooptischer Hörkombination wird weder für die Mikrofonkapsel noch für die Hörkombination eine Speisung mit Gleichstrom von der Vermittlungszentrale noch durch lokale Batterien benötigt. Es entfällt also die bei elektrischen Telefonapparaten übliche elektrische Fernspeisung durch eine Zentralbatterie in einer Vermittlungszentrale oder eine Ortsbatterie vollkommen . Sie wird durch eine zentrale optisohe Speisung über eine gesonderte Speieelichtleitfaser ersetzt.

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Im folgenden wird an Hand von 3 Figuren die Erfindung näher erläutert.

Es zeigen;

Flg. 1 ein im Maßstab von etwa 4 : 1 vergrößertes Schnittbild einer optischen Mikrofonkapsel

Fig. 2 die Abhängigkeit des optischen Kopplungsgradeap vom Achsenversatz s

Fig. 3 die schematische Darstellung einer Gradientenfaserlinse zwecks Anpassung der Einwellentypfasern (Wandlerein- und -ausgangsfaser) an die Vielwellentypfasern (Mikrofonspeise- und Mikrofonfaser).

In Fig. 1 treffen die Schallwellen auf die Fassung 1, treten durch die darin befindlichen Löcher 2 hindurch und fallen auf die Feuchtigkeitsmembran 3» die zum Schutz des Mikrofons vor Feuchtigkeit dient. Diese bietet keinen nennenswerten Schallwiderstand, ecjdaß die Schallwellen hindurch tr et en, in die vordere Luftkammer 4- gelangen und zur Membran 5 kommen, die die vordere Luftkammer 4 rechts begrenzt.

Auf der Membran 5 sitzt der Wandlerträger 16, der die Wendlerfaser 17 hält. Das von der Mikrofonspeisefaser 26 kommende Licht wird mittels der Koppelvorrichtung 20 an die Wandlereingangsfaser 18 angekoppelt. Da3 vom Wandler abgehende modulierte Licht tritt durch die Wandlerausgangsfaser 19, gelangt zur Koppelvorrichtung 21 und tritt in die Mikrofonfaser 27 aus.

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Die optische Verbindung zwischen der Wandlereingangsfaser 18 und der Wandlerausgangsfaser 19 wird durch die Wendlerfaser 17 bewirkt. Die Kopplung der Fasern erfolgt über den Luftspalt ζ zwischen den ebenen Endflächen der Fasern« Die Achsen von Wandlerfaser 17 einerseits und d©r Wandlereingangsfaser 18 bzw. der Wandlerausgangsfaser andererseits sind um den Abstand s transversal gegeneinander versetzt. Wie Fig. 2 zeigt nimmt der Kopplungsgrad ^ mit zunehmendem s ab, wobei die Funktion ·? (θ) einen Wendepunkt aufweist. Der zugehörige Abstand sei e_Q, und in ihm befinden sich die Achsen der Fasern im Ruhezustand des Mikrofons. In dieser Position kann das Mikrofon infolge der hier bestehenden Linearität der Funktion <\ (s) eine lineare Intensitätsmodulation bei kleinen Schwingungsamplituden bewirken. Bei größeren Amplituden erfolgt (wie auch z.B. beimKohlemikrofon) keine völlig lineare Modulation, da gemäß dem Funktionsverlauf von ^ (s) mit zunehmender Amplitude der Kopplungsgrad bzw. die Intensität nicht im gleichen Maß zu- bzw. abnimmt, wie die Amplitude.

Das Mikrofon ist mit dem Gummiring 12 abgedichtet. Zwischen der Membran 5 und dem Träger 11 befindet sich die mittlere Luftkammer 7. Rechts vom Träger 11 liegt die hintere Luftkammer 10, die auf ihrer rechten Seite durch die Verschlußkappe 15 begrenzt ist. Die mechanische Eigenfrequenz der Membran 5 wird beeinflußt durch die Masse der in den Löchern 8 des Trägers 11 schwingenden Luft, und durch den mechanischen Reibungswiderstand, den die Luft durch einen hinter dem Träger 11 angeordneten Schaumstoffring 9 erfährt. Durch geeignete

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Diirieneionierung dieser Größen läßt sich der Frequenzgang des Mikrofons im oberen Frequenzbereich linearisieren, Die vordere Luftkammer 4 und die mittlere Luftkammer 7 sind durch Bohrungen 6 in der Membran 5 miteinander verbunden. Hierdurch wird ein Abfall der Frequenzcharakteristik des Mikrofons im unteren Frequenzbereich bewirkt. Zugleich bleiben Luftdruckschvtankungen ohne Wirkung auf die Membran 5, und eine zu starke Beanspruchung durch niederfrequente Drückstöße wird vermieden.

In dem rückwärtigen Teil des Gehäuses 13 ist ein Hohlzylinder 14 eingesetzt. In seinen beiden Bohrungen nimmt er einen Teil der Wandlereingangsfaser 18 und der Wandlerausgangsfaser 19, sowie die Koppelelemente 20 und 21 euf. Die Wandlereingangs- und Ausgangsfasern werden durch Madenschrauben 24 und 25 in Hohlzylinder 14 und durch Madenschrauben 22 und 23 im Träger 11 befestigt.

Zur Vermeidung von Lichtreflexen werden die inneren Teile des optischen Mikrofons mit rauher Oberfläche versehen, z.B. durch Sandstrahlen, und mit einem matten schwarzen L&ok überzogen.

In Fig. 3 wird die Wirkung der Koppelelemente 20 bzw. zur Anpassung der Einwellentypfasern (Wandlerein- und -ausgangsfaser) an die Vielwellentypfasern (Mikrofonspeise- und Mikrofonfaser) am Beispiel des Koppelelementes 21 der Fig. 1 dargestellt. Infolgedessen werden

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die gleichen Bezugszeichen verwendet. Der Kern der Wandlerausgangsfaser 19, in der Fig. 3 in der "bei optischen Darstellungen gebräuchlichen Weise ala Gegenstandspfeil 3?1 dargestellt, wird durch den Gradientenfaserabschnitt 21 auf dem Kern der Mikrofonfaser 27 mit dem Abbildungspfeil Q1 vergrößert abgebildet. Dia Brennpunkte bei Gegenstand unäAbbildung sind jeweils mit P gekennzeichnet. I¹Ur die nioht dargestellte Wandlereingangsfaser gelten die gleichen Bedingungen.

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Claims

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Optisches Mikrofon
(17) Patentansprüche

1.) Optisches Mikrofon, insbesondere zum Einsatz in einer optisch gespeisten Teilnehmerstation elnee optischen Kommunikationssystems, gekennzeichnet durch folgende Merkmales

1. drei Abschnitte von Lichtleitfasern sind in geringem Abstand hintereinander angeordnet und optisch mit einander gekoppelt,

2. die erste Wandlereingangsfaser (18) wird mit einem Lichtstrom konstanter Intensität gespeist,

3. die mittlere eigentliche Wandlerfaeer (17) ist mit einer quer zur Faserachse schwingenden Membrane derart verbunden, daß

4. bei Schalleinwirkung eine Änderung der Koppelflächen zwischen Wandlerfaser (17) und Wandlerein- bzw. Wandlerausgangsfaser (18 bzw. 19) eintritt, und

5. die dritte Wandlerausgai-gsfaser (19) einen intensitätsmodulierten Lichtstrom abgibt (!ige 1).

2. Optisches Mikrofon nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet;,

daß die Lichtleitfaserabschnitte Einwellentypfasern ' mit koaxial angeordneten Kern und Mantel sind.

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3. Optisches Mikrofon nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die Lichtleitfaserabschnitte VieIweilentyp fasern ,' mit koaxial angeordneten Kern und Mantel sind.

4. Optisches Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet,

daß die Lichtleitfaserabschnitte aus Glas, vorzugsweise aus Quarzglas bestehen.

5. Optisches Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bie 3» dadurch gekennzeichnet,

daß die Lichtleitfaserabschnitte aus Kunststoff, z.B. Acrylglas bestehen.

6. Optisches Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 5t dadurch gekennzeichnet,

daß die einander zugekehrten Endflächen von Wandlerfaser, Wendlereingangsfaser und Wandlerausgangsfaeer zwecke optischer Kopplung senkrecht zur Achse geschnitten sind.

7. Optisches Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bie 6, dadurch gekennzeichnet,

daß zur Vermeidung von Verzerrungen im Ruhezustand der Membran die Achse der Wandlerfaser (17) gegenüber der Wandlereingangsfaser (18) bzw. der Wandlerausgangsfaser (19) um die Strecke s gegeneinander versetzt sind, wobei s den Wendepunkt des optischen Kopplungsgrads ο der Faser als Funktion des Achsenversatzes s bezeichnet (Fig. 2).

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8. Optisches Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet„ daß sum Anschluß an die Mikrofonspeisefaser (26) und an die Mikrofonfaser (27) besondere Koppelelement© 21) verwendet werden (Fig* 1, Pig. 3).

9» Optisches Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis dadurch gekennzeichnet, daß ala Koppelelement© (2O₉ 21) Gradi ent enfas erlins en. benutzt i^erden (Figo 3).

1Oo Optisches Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (5) eine Konusmembran let (Pig. 1).

11. Optisches Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Membran (5) eine Feuchtigkeitsmembraη (3) vorgesehen 1st (Fig. 1).

12. Optisches Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Feuchtigkeitsmembran (3) eine Fassung (1) mit Durchbrechungen (2) vorgesetzt ist (Fig. 1).

13· Optisches Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Membran (5) an einen Träger (11) gehaltert lat und ihrerseits die Wandlerfaser (17) auf einem mit der Membrane (5) starr verbundenen Wandlerträger (16) trägt (Fig. 1).

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H. Optisches Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 13_f dadurch gekennzeichnet,

daß durch das Gehäuse (13) und den Verschluß (15) eine hintere Luftkammer (10) gebildet wird (Pig. 1).

15. Optisches Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 14» dadurch gekennzeichnet,

daß die mittlere Luftkammer (7) zwischen der Membran (5) und Träger (11) mit der hinteren Luftkammer (10) zur Linearisierung des Frequenzganges durch Löcher (8) verbunden ist (Fig. 1).

16. Optisches Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 15i dadurch gekennzeichnet,

daß ein Reibungswiderstand für die in den Löchern(8) schwingende Luft angebracht ist, z. B. Schaumstoffoder Seidenschichten (9) (Pig. 1).

17. Optisches Mikrofon nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet,

daß die Membran (5) Durchbohrungen (6) zur Korrektur des Frequenzganges und zum Schutz vor Luftdruckschwankungen und vor Membranüberlastung hat (Pig. 1)·

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