DE2916684A1

DE2916684A1 - Vorrichtung zur umsetzung von mechanischen in elektrische schwingungen

Info

Publication number: DE2916684A1
Application number: DE19792916684
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl Phys Dr I Schulz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-04-25
Filing date: 1979-04-25
Publication date: 1980-11-06

Description

setzter Masse (6) angebracht ist, so daß dessen Schwingungen in elektrische Signale umgesetzt werden.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Umsetzung von mechanischen in elektrische Schwingungen auf optoelektronischem Wege und insbesondere deren Anwendung in Mikrophonen, Abtastsystemen für Schallplatten und Schwingungsaufnehmern.
Es sind zahlreiche Vorrichtungen bekannt, mit denen mechanische in elektrische Schwingungen umgewandelt werden können. Diese arbeiten überwiegend auf kapazitivem oder induktivem Wege.
Bei diesen sind jedoch entweder nur Messungen von Schwingungen in einer Koordinatenrichtung möglich oder die Umsetzung ist bei Erfassung von zwei Koordinatenrichtungen nicht linear. Bei den hauptsächlichen Anwendungen dieser Vorrichtungen wie Mikrophonen und Abtastsystemen für Schallplatten ergeben sich bei den nur kleinen mechanischen Wegen auch nur sehr kleine Signalspannungen.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Umsetzung von mechanischen in elektrische Schwingungen zu schaffen, die einen hohen Signalpegel liefert, sehr linear ist und auch zweidimensionale Schwingungen umsetzen kann, wobei eine saubere Trennung der beiden Richtungen erreichbar ist.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Umsetzung von mechanischen in elektrische Schwingungen auf optoelektronischem Wege durchzuführen, wobei über die mechanischen Schwingungen die Öffnung oder die Lage einer Blende oder eines Teiles davon, die zwischen einer Lichtquelle und einem oder mehreren Detektoren angeordnet ist, variiert wird, und die von den Detektoren abgegebenen Ströme oder Kombinationen dieser Ströme als elektrische Signale ausgewertet werden.
Die prinzipielle Funktion soll anhand von Figur 1 erläutert werden.
Die Lichtquelle (1), vorzugsweise eine Infrarotdiode mit gebündelter Abstrahlung, bildet zusammen mit dem Detektor (2), vorzugsweise ein Photodetektor mit über der Oberfläche homogener Empfindlichkeit, eine Lichtschranke. Die übertragene Lichtleistung wird gesteuert durch eine Blende (3), die in den Strahlengang hineinragt. Diese Blende (3) ist verbunden mit dem mechanisch schwingenden Körper (4).
Der von dem Detektor (2) abgegebene Strom, bzw. dessen Schwankungen sind in weiten Grenzen ein den mechanischen Schwingungen des Körpers (4) proportionales elektrisches Signal, das dann in bekannter Weise weiterverarbeitet werden kann, vorzugsweise in einem angepaßten Werstärker. Die Blende kann dabei aus einem Stück oder aus zwei Teilen (3a,b) bestehen, wobei das zweite Teil dann feststehend und mit der Lichtschranke verbunden ist. Die hierbei enstehende schlitzförmige Blendenöffnung sollte zur Vermeidung eines im Detektor entstehenden Rauschanteils des Photostromes vorzugsweise nicht wesentlich größer sein als die zu verarbeitende Schwingungsamplitude des schwingenden Körpers (4).
Mit der in Figur 1 dargestellten Anordnung ist die Umwandlung von mechanischen in elektrische Schwingungen in einer Koordinatenrichtung möglich. Bei Verwendung von zwei Detektoren können jedoch auch Bewegungen in zwei zueinander senkrechte Richtungen gleichzeitig und getrennt erfaßt werden. Eine der verschiedenen möglichen Ausführungsformen ist ir Figur 2 veranschaulicht, wobei lediglich die Detektoren (2a,b) und die Form der Blende, die aus zwei Teilen (3a,b) zusammengesetzt ist, dargestellt sind. Dabei ist eines der die Blende bildenden Teile (3a) beweglich und wird an dem mechanisch schwingenden Körper angebracht oder mit diesem verbunden, während das zweite Teil (3b) in seiner Lage stabil ist. Letzteres kann ggf.
auch entfallen. Bei Bewegung des Teiles (3a) werden in den Detektoren (2a,b) Stromschwankungen erzeugt, die proportional den Bewegungen in zwei Koordinatenrichtungen sind, wobei bei genauer rechtwinkliger Ausführung des Teiles (3a) Bewegungen in x-Richtung keine Stromschwankungen in dem Detektor 2b hervorrufen und somit ein Übersprechen verhindert wird.
Neben der in Figur 2 wiedergegebenen Anordnung-sind auch andere Zuordnungen von Detektoren, ggf. auch von mehreren Detektoren, und Blendenteilen möglich, wobei auch Kombinationen der von den Detektoren abgegebenen Ströme wie Differenzen und Summen als Signale ausgewertet werden können.
Erfindungsgemäß wird weiter vorgeschlagen, die beschriebene Vorrichtung zur Umwandlung von mechanischen in elektrische Schwingungen in Mikrophonen einzusetzen, wobei der schwingende Körper (4) vorzugsweise eine Membran ist, die in einem Gehäuse eingespannt ist.
Figur 3 zeigt ein solches Mikrophon. Die aus zwei Teilen (3a,b) bestehende Blende ist an dem schwingenden Körper/Membran (4) bzw. am Gehäuse (5) angebracht. Bei Schwingungen der Membran treten entsprechende Stromschwankungen am Ausgang des Detektors (2) auf.
Ferner wird vorgeschlagen, die beschriebenen Vorrichtungen mit einem oder zwei Detektoren zur Erfassung der Bewegungen des Abtaststiftes in Plattenspielern einzusetzen, wobei der Abtaststift den mechanisch schwingenden Körper (4) bildet (Figur 4), der federnd gelagert ist und über ein Verbindungsstück (6) mit einem Teil der Blende (3a) verbunden ist.
Bei einer weiteren speziellen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist der mechanisch schwingende Körper (4) als Balken ausgeführt, an dem eine Masse (7) angebracht ist (Figur 5). Dieses System führt bei mechanischen Erschütterungen oder Schwingungen sslbst gekoppelte mechanische Schwingungen aus, die mit der Vorrichtung in elektrische Signale umgesetzt und somit dann leicht in Anzeign- und Autzeichnungsseräten dargestellt werden können.
Darüber hinaus ist die vorgeschlagene Vorrichtung in zahlreichen Anwendungen wie zur Erfassung von Vibrationen und Bewegungen geeignet.
Die mit der vorgeschlagenen Vorrichtung erreichbaren Auflösungen in der Schuingungsamplitude sind von dem Frequenzbereich abhängig.
Bei einem Bereich bis 20 kHz kann bei einem Signal-Rauschen-Verhältnia von 1:1 noch eine Schwingungsamplitude 0,5.10-6 mm erkannt werden, bei 2 kHz kann dies Amplitude noch 10 mal kleiner sein.
Die Ausgangsspannungen liegen dabei bei 20 bzw. bei 200 mm/10 3 mm und sind damit im Vergleich zu bekannten Systemen sehr hoch.
Es ist deshalb nur noch eine geringe Nachversterkung bis zum Betrieb von Lautsprechern oder anderen Aufzeichnunge- oder Wiedergabegeräten erforderlich. Vorteilhaft ist ferner die sehr gute Linearität und damit Verzerrungsfreiheit sowie die saubere Trennung bei Bewegungen in zwei Koordinatenrichtungen.

Claims

Vorrichtung zur Umsetzung von mechanischen in elektrische Schwingungen Patentansprüche 0 Vorrichtung zur Umsetzung von mechanischen in elektrische Schwingungen, dadurch gekennzeichnet, daß an dem mechanisch schwingenden Körper (4) eine Blende (3) angebracht ist, die die von einer Lichtquelle (1) auf einen oder mehrere Detektoren (2) fallenden Lichtleistungen steuert, wobei die Schwankungen der von den Detektoren (2) abgegebenen Ströme oder Kombinationen hiervon als elektrische Signale ausgewertet werden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtquelle (1) Infrarotdioden, vorzugsweise mit gebündelter Abstrahlung, und/oder als Detektoren (2) solche mit über der Oberfläche homogener Empfindlichkeit eingesetzt werden.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (3) aus einem mit dem mechanisch schwingenden Körper (4) verbundenen Teil (3a) und einem feststehenden Teil (3b) besteht, so daß zwischen beiden Teilen der Blende (3) eine vorzugsweise schlitzförmige Blendenöffnung entsteht, deren Breite vorzugsweise nicht wesentlich größer ist als die maximal auftretende mechanische Schwingungsamplitude.
4. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanisch schwingende Körper (4) eine Membran, insbesondere die eines Mikrophons, ist.
5. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanisch schwingende Körper (4) ein Abtaststift für die Abtastung von Spurrillen bei Schallplatten ist, dessen Bewegungen in zwei zueinander senkrechte Richtungen mit zwei Detektoren (2), die beide mit einem Teil der Blende (3a) teilweise abgedeckt werden, in zwei elektrische Signale umgesetzt werden.
6. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (3) an einem balkenförmigen Körper (4) mit ange-