DE3247843C1

DE3247843C1 - Mikrofon

Info

Publication number: DE3247843C1
Application number: DE3247843A
Authority: DE
Inventors: Dieter Dr. 3400 Göttingen Schmidt
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1982-12-23
Filing date: 1982-12-23
Publication date: 1983-12-29
Also published as: US4566135A

Description

dadurch gekennzeichnet, daß

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der Basiskörper aus einem für eine optische Strahlung transparenten Material besteht, und e) die Anordnung zum Erzeugen des Ausgangssignals auf die Änderung der Totalreflexion anspricht, die eine in den Basiskörper eingekoppelte optische Strahlung an der ebenen Oberfläche, an der die Membrane stellenweise anliegt, erfährt.

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2. Mikrofon nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane aus einer die optische Strahlung absorbierenden Folie besteht.

3. Mikrofon nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen mit dem Basiskörper (12) optisch gekoppelten Lichtleiter (18) zum Einkoppeln der optischen Strahlung von einer äußeren Strahlungsquelle (19).

4. Mikrofon nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtleiter (18) eine Lichtleitfaser ist, die derart in einer Ausnehmung (20) des Basiskörpers sitzt, daß sie im wesentlichen parallel zu der erwähnten Oberfläche (14) verläuft.

5." Mikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Basiskörper (12) ein Lichtsammeikörper (24) optisch gekoppelt ist, der ein fluoreszierendes Material · enthält.

6. Mikrofon nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Basiskörper im wesentlichen die Form einer Kreisscheibe mit zwei ebenen Hauptflächen und einer zylindrischen, glatten Umfangsfläche (22) hat, daß der Lichtsammeikörper (24) die Form eines Kreisringes mit einer zylindrischen Innenfläche (22) hat, die bei der zylindrischen Umfangsfläche des Basiskörpers angeordnet ist, und daß der Lichtsammeikörper (24) mit einem Ausgangslichtleiter (2) gekoppelt ist.

7. Mikrofon nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Andrücken der Membrane an die Oberfläche des Basiskörpers.

5. Mikrofon nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Andrückvorrichtung eine Anordnung zum Einwirkenlassen eines Unterdrucks zwischen der Membrane und der Oberfläche des Basiskörpers enthält.

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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Mikrofon gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Unter der Bezeichnung »Seil-Wandler« ist ein akustisch elektrischer Wandler bekannt, der als Kondensatormikrofon mit festem Dielektrikum angesehen werden kann. Ein solcher bekannter Wandler enthält eine vom einfallenden Schall zu Schwingungen angeregte, metallisierte Membrane aus einem elektrisch nichtleitenden Material, wie Kunststoff, die an einer leitenden Oberfläche eines Basiskörpers anliegt. Das die Schwingungen der Membrane ermöglichende und die Resonanzfrequenz des Systems eingehende Luftpolster wird durch eine mehr oder weniger tiefe Rauhigkeit der Basiskörper-Oberfläche bzw. durch eingefräste Rillen gebildet. Für hohe Ultraschallfrequenzen ist eine geringe Rauhigkeit zweckmäßig. Die Erzeugung des Ausgangssignals erfolgt in bekannter Weise wie bei einem Kondensatormikrofon, indem die Kapazitätsänderungen zwischen der leitenden Oberfläche des Basiskörpers und der äußeren Metallisierung der Membran erfaßt werden (ACUSTICA 4 (1954), 519 bis 532).

Für den Betrieb des oben erwähnten bekannten Mikrofons ist eine hohe Polarisationsspannung erforderlich, die in der Praxis bei einigen hundert Volt liegt und die sehr dünne Membrane bis an die Grenze ihrer Durchschlagsfestigkeit belastet. Ferner ist das Ausgangssignal eine relativ hochohmige und kleine elektrische Spannung, man muß daher in unmittelbarer Nähe des Mikrofons einen Impedanzwandler vorsehen, der häufig bei Messungen sehr störend im Wege ist und seinerseits eine eigene Spannungsversorgung benötigt.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein Mikrofon der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß keine hohen Polarisationsspannungen und kein Impedanzwandler in der Nähe des Mikrofons erforderlich sind.

Diese Aufgabe wird bei einem Mikrofon der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Bei dem Mikrofon gemäß der Erfindung wird keine Polarisationsspannung benötigt, so daß das'Mikrofon im Betrieb wesentlich, stabiler ist als beim Stand der Technik. Ferner liefert das vorliegende Mikrofon primär ein optisches Ausgangssignal, das ohne Störungen durch elektrische oder magnetische Felder über relativ große Strecken fortgeleitet und an einer bequem zugänglichen Stelle verarbeitet werden kann.

Das vorliegende Mikrofon eignet sich besonders für Strömungsfelduntersuchungen und Durchflußmessungen mittels Ultraschallimpulsen auch unter extremen Bedingungen, z. B. bei Explosionsgefahr, in starken elektrischen, und/oder magnetischen Feldern, ferner bei Platzmangel, der keine Impedanzwandler und relativ dicke Zuleitungen zulassen würde. \

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Draufsicht auf die wesentlichen Teile eines Mikrofons gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,

F i g. 2 einen. Querschnitt in einer Ebene H-II der F i g. 1, und

F i g. 3 einen stark vergrößerten Teil der F i g. 2.

Das in der Zeichnung dargestellte »optische« Mikrofon enthält eine Rückplatte oder einen Basiskörper 12, der aus einer glasklaren Kreisscheibe mit zueinander parallelen, glatten Hauptflächen besteht. An der einen — in F i g. 2 der. oberen — Hauptfläche 14 liegt eine dünne Membrane 16 aus einem dunkel — z. B.

dem Basiskörper 12 abgewandte' Oberfläche der Membrane kann aufgerauht sein. Es ist vorteilhaft, wenn das Membranmaterial das eintretende Licht sowohl absorbiert als auch streut.

Der transparente Basiskörper 12 ist · mit einem Eingangs-Lichtleiter 18 optisch gekoppelt, um eine optische Eingangsstrahlung, für die der Basiskörper 12 transparent ist, in diesen einzukoppeln. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der Lichtleiter 18 aus einer lichtleitenden Faser, die in eine radiale to Ausnehmung, wie eine Bohrung 20 oder einen radialen Schlitz des Basiskörpers eingesetzt ist und in seiner Mitte endet. Dort tritt die Strahlung aus dem Ende der Lichtleitfaser in den Basiskörper ein, trifft dort bei 29 auf ein Streuzentrum, z.B. die rauhe Wand einer innerhalb des Basiskörpers endenden Bohrung wie der Bohrung 20, und breitet sich von dort vermittels Totalreflexion radial in alle Richtungen zum Rand hin aus. Das dem Basiskörper 12 abgewandte Ende des Lichtleiters 18 ist mit einer nur schematisch angedeuteten äußeren Lichtquelle 19, z. B. einer Leuchtdiode oder Laserdiode gekoppelt.

Der Basiskörper 12 hat einen zylindrischen, optisch polierten Umfangsrand 22. Dieser Umfangsrand ist von einem ringscheibenförmigen Lichtsammelkörper 24 umgeben, der eine zylindrische Außenfläche und eine in nahem Abstand vom Umfangsrand 22 angeordnete Innenfläche aufweist. Die Oberflächen des Lichtsammeikörpers sind optisch poliert.

Der Lichtsammelkörper besteht aus einem Licht sammelnden (LISA-)Kunststoff, d.h. einem Polymer hoher optischer Reinheit, das mit einem Fluoreszenzfarbstoff eingefärbt ist (siehe z.B. Bayer Sparte KL, Anwendungstechnik, Anwendungstechnische Information 346/81). Der Lichtsammelkörper ist bei 26 durch einen Radialschnitt unterbrochen und dort mit einem Ausgangslichtleiter 27 gekoppelt, der z. B. aus einer Lichtleitfaser bestehen kann.

Der zur Auskopplung der Strahlung dienende Lichtleiter 27 ist über eine zwischen seiner Endfläche und der dieser gegenüberliegenden Endfläche des lichtsammelnden Ringes 24 angebrachten Miniaturlinse (in der Figur nicht sichtbar) optisch optimal angekoppelt. Die zweite Endfläche des lichtsammelnden Ringes 24 ist verspiegelt, so daß das primär dorthin gelangende Licht verlustfrei in den Ring zurückgeworfen und ebenfalls der ersteren Endfläche — und somit dem Ausgangslichtleiter 27 — zugeleitet wird. Das verspiegelte Umfangsende des als Lichtleiter funktionierenden Lichtsammeikörpers 24 hat einen Ausschnitt 29, damit der Lichtleiter 27 nicht geknickt zu werden braucht.

Der Basiskörper kann z. B. aus glasklarem Kunststoff, wie PMMA oder auch aus optischem Glas oder Quarzglas bestehen.

Das beschriebene optische Mikrofon arbeitet wie folgt: Die der Hauptfläche 14 des Basiskörpers zugewandte Oberfläche der Membrane 16 ist nicht völlig glatt, so daß sie an der Hauptfläche 14 im wesentlichen nur an einer Vielzahl von über ihre Fläche verteilten Punkten 30 (Fig. 3) oder kleinen Flächen anliegt, wodurch zwischen der Hauptfläche 14 und der ihr zugewandten Oberfläche der Membrane eine dünne Luftpolsteranordnung 31 gebildet wird. Die in den Basiskörper 12 eingekoppelte optische Strahlung wird, soweit sie unter genügend flachem Winkel auf die Innenseite der Hauptfläche 14 auf trifft, total reflektiert, sofern sich an der Auftreffstelle eine Luftschicht schwarz — eingefärbten Kunststoff, wie PETP, an. Die genügender Dicke befindet. An den Berührungsstellen 30 findet keine Totalreflexion statt, die Strahlung kann hier vielmehr in die z.B. aus dunkel eingefärbtem Kunststoff oder einer anderen geeigneten Folie bestehende Membrane eintreten, wo sie dann absorbiert wird. Die Intensität der zum Umfangsrand 22 gelangenden und von dort in den Lichtsammelkörper 24 eintretenden Strahlung ist also eine Funktion der Totalreflexion an der Hauptfläche 14; sie wird geringer mit zunehmender Größe der «Berührungsfläche zwischen Membrane und Hauptfläcfre 14.

Beim Auftreffen von Schallschwingungen auf die Außenseite der Membrane 16 wird letztere im Rhythmus dieser Schwingungen mehr oder weniger stark an die Hauptfläche 14 angedrückt, wobei sich die Fläche der Berührungsbereiche entsprechend ändert, - wie in F ϊ g. 3 gestrichelt angedeutet ist. Dementsprechend ändert sich auch die Totalreflexion und damit die Intensität der über den ganzen Umfang des Basiskörpers 12 verteilt in den Lichtsammelkörper 24 übertretenden Strahlung. Im Lichtsammelkörper 24 wird die aus dem Basiskörper 12 eintretende Strahlung durch den Fluoreszenzfarbstoff in Fluoreszenzstrahlung umgesetzt, welche zum großen Teil an den Oberflächen des Lichtsammeikörpers zur Schnittstelle 26 geleitet, somit auf eine kleine Fläche konzentriert und von dort durch den Lichtleiter 27 ausgekoppelt wird. Am Ausgangsende des Lichtleiters 27 steht also eine entsprechend den empfangenen Schallschwingungen modulierte optische Strahlung- zur Verfügung, die z.B. mittels eines Phototransistors oder irgendeines anderen optischelektrischen Wandlers in ein elektrisches Signal umgesetzt oder auf irgendwelche andere Weise nutzbar gemacht werden kann.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des in der Zeichnung dargestellten Mikrofons hatte der Basiskörper einen Durchmesser von 50 mm und eine Dicke von 2 mm. Als Membrane diente eine 12 μηι dicke schwarz eingefärbte PE-Folie.

Die Membrane soll auf der ganzen Fläche möglichst gleichmäßig am Basiskörper anliegen, um einen reproduzierbaren Betrieb zu gewährleisten. Dies kann auf verschiedene Weise erreicht werden, z. B. elektrostatisch, pneumatisch oder durch Ausbildung der Membrane oder Rückplatte als Elektret. Als besonders zweckmäßig hat sich jedoch eine pneumatische Anordnung erwiesen, bei der der Basiskörper mit einer zentralen Bohrung versehen wurde, über ^vdie ein Unterdruck von etwa 2 · 10⁴ Pa zur Einwirkung gebracht wurde. Durch diese Maßnahmen kann auch eine mechanische Vorspannung der Membrane zur Linearisierung des Ausgangssignales erzeugt werden.

Die beschriebene Ausführungsform läßt sich in der verschiedensten Weise abwandeln, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten. Man könnte z. B. das in die Membrane übertretende Licht zur Erzeugung des Ausgangssignals heranziehen, indem man etwa die Membran aus einem LISA-Kunststoff herstellt. Das in einer solchen Membran erzeugte und per Totalreflexion zum Rand geleitete Fluoreszenzlicht könnte wiederum über einen konzentrierenden lichtsammelnden Ring in einen Ausgangslichtleiter eingekoppelt werden. Der Basiskörper und die Membrane brauchen auch nicht genau kreisförmig zu sein.

Das beschriebene Mikrofon kann auch anderweitig als Druckaufnehmer verwendet werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

- Leerseite. -

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Claims

Patentansprüche: 1. Mikrofon mit

a) einem Basiskörper (12), der eine ebene Oberfläehe (14) hat,

b) einer bei der ebenen Oberfläche angeordneten Membrane (16),

c) einer Einrichtung zum Erzeugen eines Ausgangssignales, das von durch Schallschwingungen verursachten Änderungen des mittleren Abstandes zwischen der Oberfläche und der Membrane abhängt,