EP0436437A1 - Transducteur optoacoustique - Google Patents

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EP0436437A1
EP0436437A1 EP90403766A EP90403766A EP0436437A1 EP 0436437 A1 EP0436437 A1 EP 0436437A1 EP 90403766 A EP90403766 A EP 90403766A EP 90403766 A EP90403766 A EP 90403766A EP 0436437 A1 EP0436437 A1 EP 0436437A1
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EP
European Patent Office
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cavity
membrane
light
transducer according
optoacoustic transducer
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Withdrawn
Application number
EP90403766A
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German (de)
English (en)
Inventor
Jamal Housni
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Societe Industrielle de Liaisons Electriques SA
Original Assignee
Societe Industrielle de Liaisons Electriques SA
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    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04R—LOUDSPEAKERS, MICROPHONES, GRAMOPHONE PICK-UPS OR LIKE ACOUSTIC ELECTROMECHANICAL TRANSDUCERS; DEAF-AID SETS; PUBLIC ADDRESS SYSTEMS
    • H04R23/00—Transducers other than those covered by groups H04R9/00 - H04R21/00
    • H04R23/008—Transducers other than those covered by groups H04R9/00 - H04R21/00 using optical signals for detecting or generating sound

Definitions

  • the present invention relates to an optoacoustic transducer.
  • Optical fibers are being used more and more for the transmission of voice communications, optical fibers having the advantage of being insensitive to electromagnetic disturbances and being able moreover to be used in complete safety in environments presenting a risk of explosion.
  • optical fibers for voice communications remains however limited by the possibility of transforming the light signal conveyed by the optical fiber into an acoustic signal which can be perceived by the user.
  • optoacoustic transducers comprising a cavity into which opens a light transmitting member fixed on one side thereof, and absorption means arranged in the cavity for absorbing light and converting it into heat, the cavity comprising, where appropriate, a wall part formed by a flexible membrane. It has been found that in the transducers of the prior art the temperature variations resulting from the light modulations were not fast enough to accurately translate the light modulations.
  • An object of the present invention is to provide an improved optoacoustic transducer.
  • an optoacoustic transducer comprising a cavity communicating with a light transmitting member fixed on one side thereof and absorption means arranged in the cavity for absorbing the light and convert it into heat, the cavity comprising a wall part formed by a flexible membrane, characterized in that it comprises means for ensuring an accelerated diffusion of the light in the absorption means.
  • the device according to the invention allows this absorption to be carried out on a surface, carried by the membrane, the local temperature variations of the air in the vicinity of this surface then being sufficient to vibrate the membrane.
  • the flexible membrane comprises a substantially rigid central part hingedly connected to a peripheral part.
  • the central part functions like a piston and the acoustic efficiency is improved compared to a membrane operating in an elastic deformation mode.
  • the cavity has a wall facing the membrane having a conformation surface substantially identical to the membrane.
  • the internal volume of the cavity is then in the form of a gas layer of substantially constant thickness favorable to a large amplitude of the vibrations of the membrane and therefore ensuring a further improved acoustic efficiency.
  • the transducer comprises a light diffusing member disposed at one end of the light transmitting member. This increases the speed of transformation of light into heat and therefore the efficiency of the transducer.
  • the transducer comprises a tubular cylindrical body 2 in which is mounted an optical fiber support sleeve 3 fixed inside the tubular body 2 and comprising a cylindrical channel 4 ending at a end by an annular shoulder 5 projecting towards the inside of the channel 4.
  • a spherical lens 6 is disposed in the channel 4 and bears against the shoulder 5.
  • An optical fiber, or a bundle of optical fibers 7 is also mounted in channel 4 with its end in contact with the spherical lens 6. The sheath 8 of the optical fiber is tightly fixed inside the channel 4.
  • the end of the sleeve 3 has a flat annular surface 9 on which an annular washer 10 is supported.
  • the annular surface 11 of the end of the sleeve 3 adjacent to the annular surface 9 has a convex curvature in the form of an arc of a circle according to an axial section of the sleeve 3.
  • the membrane 12 is produced from a semi-rigid plastic film formed to comprise a central part 13 in the form of a spherical cap connected to an annular peripheral part 14 of section in an arc of a circle, this peripheral part being itself connected to an annular collar 15 bearing on the annular washer 10.
  • the membrane 12 thus delimited with the annular washer 10, the end of the sleeve 3 and the spherical lens 6, a sealed cavity 16 into which the transmitting lens 6 opens out. the lumen and a part of the wall of which is formed by the flexible membrane 12.
  • the central part is substantially rigid and hingedly connected to the peripheral part 14.
  • the radii of curvature of the central part 13 and of the peripheral part 14 are respectively homothetic to the radii of curvature of the spherical lens 6 and of the curved annular zone 11 of the end of the sleeve 3, so that the facing surfaces are substantially identical and delimit between them a layer of air of substantially constant thickness.
  • An annular washer 17 is supported on the flange 15 of the membrane 12 on the side opposite to the annular washer 10.
  • the annular washer 17 is kept applied against the membrane 12 by a plug 18 screwed into the body 2.
  • the plug 18 has a acoustic conduit 19 opposite the central part 13 of the membrane 12 and its end surface has a shape identical to the opposite face of the membrane 12 so as to delimit therewith an air layer of substantially constant thickness forming a compression chamber 20.
  • the acoustic conduit 19 is extended outwardly by a slightly frustoconical cavity 21 used for the establishment of a pavilion whose dimensions are adapted to the equivalent impedance produced by the membrane 12 and the volume of the cavity 16, as well as the frequencies which it is desired to be able to listen to by means of the transducer according to the invention.
  • the cavity 16 is preferably equipped with means for absorbing the light and converting it into heat. These means are constituted either by carbon black introduced into the material forming the walls of the cavity 16, or by carbon fibers placed inside the cavity 16, or even carbon black particles in suspension in the cavity. In these latter cases, the membrane 12 preferably comprises a reflective coating 22 on its face facing the interior of the cavity 16.
  • the transducer comprises a one-piece body 23 in which the cavity 16 is hollowed out.
  • the optical fiber 7 equipped with its sheath is fixed in a channel 4 which this time extends opposite a edge of the central part 13 of the membrane 12 so that the light which leaves the optical fiber 7 is then reflected in different directions by the reflecting surface of the membrane 12.
  • the cavity 16 is equipped as previously means of absorption by volume.
  • the membrane 12 is held in place by a circular ring 24 itself fixed to the block 23 by any suitable means, for example by bonding 25.
  • the cavity 16 is not completely sealed but is connected to the open air by a small pressure balancing channel 26.
  • This balancing channel is only intended to compensate for variations in static pressure between the cavity 16 and the external environment in order to avoid permanent deformation of the membrane when the surrounding atmospheric pressure varies.
  • the channel 26 has a very small diameter, for example of the order of 0.2 mm and a great length relative to its diameter, for example several millimeters, so that it appears as an opening opposite. of static pressure but as a tight wall with respect to rapid variations in pressure as they are generated by light power modulations.
  • Such a balancing channel can of course also be provided in the first embodiment.
  • FIG. 3 illustrates a third embodiment in which the body 23 is made in two parts joined to each other to form a first cavity part 16.1 with a substantially spherical reflecting rigid wall into which the optical fiber 7 opens, and a second cavity part 16.2, a wall part of which is formed by a membrane 12 kept fixed to the body 23 by a ring 24 as in the second embodiment.
  • the first and the second cavity part are connected to each other by an orifice 27 having dimensions suitable for transmitting the pressure variations coming from the first cavity part 16.1.
  • the orifice 27 has for example a diameter of the order of 0.8 mm and a length shorter than the diameter, for example 0.5 mm.
  • the first part of cavity 16.1 preferably contains absorption means in volume as before and the reflecting walls ensure multiple reflections of the light rays so that the energy which they transport is very quickly transformed into heat one thus obtains a transducer which not only has good overall optoacoustic performance, but also good dynamic performance.
  • FIG. 4 illustrates an embodiment in which the absorption of light takes place at the surface.
  • the membrane 12 this time comprises a flat central part disposed opposite an optical fiber or a bundle of optical fibers 7 and carries a thin layer of absorbent material 28 facing the end of the bundle 7.
  • the absorbent layer 28 is preferably thermally insulated from the membrane by an insulating pad 29.
  • a light diffusing member has been provided in the form of a spherical lens arranged at the end of the fiber 7, the spherical lens 6 may be replaced by another light-diffusing member, for example an elliptical or other lens or by a blooming of a bundle of fibers inside the cavity 16, or by conical termination of an optical fiber or a bundle of optical fibers.
  • a particular gas therein for example a rare gas such as xenon.

Abstract

Le dispositif transducteur optoacoustique selon l'invention comprend une cavité (16) dans laquelle débouche un organe de transmission de lumière (7) fixé sur un côté de celle-ci, la cavité (16) comportant une partie de paroi formée par une membrane flexible (12), des moyens d'absorption de la lumière disposés dans la cavité, et des moyens pour assurer une diffusion accélérée de la lumière dans les moyens d'absorption. <IMAGE>

Description

  • La présente invention concerne un transducteur optoacoustique.
  • On utilise de plus en plus les fibres optiques pour la transmission de communications vocales, les fibres optiques ayant l'avantage d'être insensibles aux perturbations électromagnétiques et pouvant en outre être utilisées en toute sécurité dans des milieux présentant un risque de déflagration.
  • L'usage des fibres optiques pour les communications vocales reste toutefois limité par la possibilité de transformer le signal lumineux convoyé par la fibre optique en un signal acoustique pouvant être perçu par l'utilisateur.
  • On connaît notamment du document US-A-4 002 897 des transducteurs optoacoustiques comportant une cavité dans laquelle débouche un organe de transmission de lumière fixé sur un côté de celle-ci, et des moyens d'absorption disposés dans la cavité pour absorber la lumière et la convertir en chaleur, la cavité comportant, le cas échéant, une partie de paroi formée par une membrane flexible. On a constaté que dans les transducteurs de l'art antérieur les variations de température résultant des modulations de la lumière n'étaient pas suffisamment rapides pour traduire de façon précise les modulations de la lumière.
  • Un but de la présente invention est de réaliser un transducteur optoacoustique amélioré.
  • En vue de la réalisation de ce but, on prévoit selon l'invention un transducteur optoacoustique comprenant une cavité communiquant avec un organe de transmission de lumière fixé sur un côté de celle-ci et des moyens d'absorption disposés dans la cavité pour absorber la lumière et la convertir en chaleur, la cavité comportant une partie de paroi formée par une membrane flexible, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour assurer une diffusion accélérée de la lumière dans les moyens d'absorption.
  • Ainsi, lors des variations de puissance de la lumière introduite dans la cavité, ces variations de puissance se traduisent immédiatement par des variations de température qui provoquent elles-mêmes des variations du volume du gaz contenu dans la cavité et entraînent une mise en vibration de la membrane flexible. En outre, contrairement aux dispositifs antérieurs où l,absorption de la lumière et sa transformation en chaleur doivent être faits au sein d'un volume, le dispositif selon l'invention permet d'effectuer cette absorption sur une surface, portée par la membrane, les variations d'échauffement locales de l'air au voisinage de cette surface étant alors suffisantes pour faire vibrer la membrane.
  • Selon une version avantageuse de l'invention, la membrane flexible comporte une partie centrale sensiblement rigide reliée de façon articulée à une partie périphérique. Ainsi, la partie centrale fonctionne comme un piston et le rendement acoustique se trouve amélioré par rapport à une membrane fonctionnant dans un mode de déformation élastique.
  • Selon un autre aspect avantageux de l'invention, la cavité comporte une paroi en regard de la membrane ayant une surface de conformation sensiblement identique à la membrane. Le volume interne de la cavité se présente alors sous forme d'une couche de gaz d'épaisseur sensiblement constante favorable à une amplitude importante des vibrations de la membrane et assurant donc un rendement acoustique encore amélioré.
  • Selon encore un autre aspect avantageux de l,invention, le transducteur comporte un organe diffuseur de lumière disposé à une extrémité de l'organe de transmission de lumière. Ainsi on augmente la rapidité de transformation de la lumière en chaleur et donc le rendement du transducteur.
  • D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui suit de différents modes de réalisation particuliers non limitatifs de l'invention en liaison avec les figures ci-jointes :
    • la figure 1 est une vue en coupe axiale d'un premier mode de réalisation du transducteur selon l'invention,
    • la figure 2 est une vue en coupe axiale d'un second mode de réalisation du transducteur selon l'invention,
    • la figure 3 est une vue en coupe axiale d'un troisième mode de réalisation du transducteur selon l'invention,
    • la figure 4 est une vue en coupe axiale d'un quatrième mode de réalisation du transducteur selon l'invention.
  • En référence aux figures, on notera tout d'abord que celles-ci sont très agrandies, un transducteur ayant généralement un diamètre de l'ordre de 5 à 10 mm, le transducteur selon le premier mode de réalisation illustré par la figure 1 présente une symétrie de révolution autour d'un axe de symétrie 1. Le transducteur comporte un corps 2 cylindrique tubulaire dans lequel est monté un manchon support de fibre optique 3 fixé à l'intérieur du corps tubulaire 2 et comportant un canal cylindrique 4 se terminant à une extrémité par un épaulement annulaire 5 en saillie vers l'intérieur du canal 4. Une lentille de forme sphérique 6 est disposée dans le canal 4 et est en appui contre l'épaulement 5. Une fibre optique, ou un faisceau de fibres optiques 7 est également monté dans le canal 4 avec son extrémité en appui sur la lentille de forme sphérique 6. La gaîne 8 de la fibre optique est fixée de façon étanche à l'intérieur du canal 4.
  • L'extrémité du manchon 3 comporte une surface annulaire plane 9 sur laquelle prend appui une rondelle annulaire 10. La surface annulaire 11 de l'extrémité du manchon 3 adjacente à la surface annulaire 9 présente une courbure convexe en forme d'arc de cercle selon une coupe axiale du manchon 3.
  • La membrane 12 est réalisée à partir d'un film semi-rigide en matière synthétique formé pour comporter une partie centrale 13 en forme de calotte sphérique reliée à une partie périphérique annulaire 14 de section en arc de cercle, cette partie périphérique étant elle-même reliée à une collerette annulaire 15 en appui sur la rondelle annulaire 10. La membrane 12 délimité ainsi avec la rondelle annulaire 10, l'extrémité du manchon 3 et la lentille de forme sphérique 6, une cavité étanche 16 dans laquelle débouche la lentille 6 transmettant la lumière et dont une partie de paroi est formée par la membrane flexible 12.
  • En raison de la forme particulière donnée à la membrane, la partie centrale est sensiblement rigide et reliée de façon articulée à la partie périphérique 14. Les rayons de courbure de la partie centrale 13 et de la partie périphérique 14 sont respectivement homothétiques des rayons de courbure de la lentille de forme sphérique 6 et de la zone annulaire bombée 11 de l'extrémité du manchon 3, de sorte que les surfaces en regard sont sensiblement identiques et délimitent entre elles une couche d'air d'épaisseur sensiblement constante.
  • Une rondelle annulaire 17 est en appui sur la collerette 15 de la membrane 12 du côté opposé à la rondelle annulaire 10. La rondelle annulaire 17 est maintenue appliquée contre la membrane 12 par un bouchon 18 vissé dans le corps 2. Le bouchon 18 comporte un conduit acoustique 19 en regard de la partie centrale 13 de la membrane 12 et sa surface extrême a une forme identique à la face en regard de la membrane 12 de façon à délimiter avec celle-ci une couche d'air d'épaisseur sensiblement constante formant une chambre de compression 20. Le conduit acoustique 19 est prolongé vers l'extérieur par une cavité 21 légèrement tronconique servant à la mise en place d'un pavillon dont les dimensions sont adaptées à l'impédance équivalente que réalisent la membrane 12 et le volume de la cavité 16, ainsi que les fréquences que l'on souhaite pouvoir écouter au moyen du transducteur selon l'invention.
  • Afin de favoriser un bon rendement optoacoustique, la cavité 16 est de préférence équipée de moyens pour absorber la lumière et convertir celle-ci en chaleur. Ces moyens sont constitués soit par du noir de carbone introduit dans la matière formant les parois de la cavité 16, soit par des fibres de carbone disposées à l'intérieur de la cavité 16, soit encore des particules de noir de carbone en suspension dans la cavité. Dans ces derniers cas, la membrane 12 comporte de préférence un revêtement réfléchissant 22 sur sa face tournée vers l'intérieur de la cavité 16.
  • Dans le mode de réalisation de la figure 2, le transducteur comporte un corps 23 monobloc dans lequel est creusée la cavité 16. La fibre optique 7 équipée de sa gaine est fixée dans un canal 4 qui s'étend cette fois en regard d'un bord de la partie centrale 13 de la membrane 12 de sorte que la lumière qui sort de la fibre optique 7 est alors réfléchie selon différentes directions par la surface réfléchissante de la membrane 12. Pour transformer la lumière en chaleur, la cavité 16 est équipée comme précédemment de moyens d'absorption en volume. La membrane 12 est maintenue en place par une anneau circulaire 24 lui-même fixé au bloc 23 par tout moyen approprié, par exemple par un collage 25.
  • Dans ce mode de réalisation la cavité 16 n'est pas totalement étanche mais est reliée à l'air libre par un petit canal d'équilibrage de pression 26. Ce canal d'équilibrage est seulement destiné à compenser les variations de pression statique entre la cavité 16 et l'environnement extérieur afin d'éviter une déformation permanente de la membrane lorsque la pression atmosphérique environnante varie. Pour cela le canal 26 a un très petit diamètre, par exemple de l'ordre de 0,2 mm et une grande longueur par rapport à son diamètre, par exemple plusieurs millimètres, de sorte qu'il se présente comme une ouverture vis à vis de la pression statique mais comme une paroi étanche vis à vis de variations rapides de la pression telles qu'elles sont engendrées par les modulations de puissance de la lumière. Un tel canal d'équilibrage peut bien entendu être également prévu dans le premier mode de réalisation.
  • La figure 3 illustre un troisième mode de réalisation dans lequel le corps 23 est réalisé en deux parties accolées l'une à l'autre pour former une première partie de cavité 16.1 à paroi rigide réfléchissante sensiblement sphérique dans laquelle débouche la fibre optique 7, et une seconde partie de cavité 16.2 dont une partie de paroi est formée par une membrane 12 maintenue fixée au corps 23 par un anneau 24 comme dans le second mode de réalisation. La première et la seconde partie de cavité sont reliées l'une à l'autre par un orifice 27 ayant des dimensions appropriées pour transmettre les variations de pression provenant de la première partie de cavité 16.1. L'orifice 27 a par exemple un diamètre de l'ordre de 0,8mm et une longueur plus courte que le diamètre, par exemple 0,5 mm. La première partie de cavité 16.1 contient de préférence des moyens d'absorption en volume comme précédemment et les parois réfléchissantes assurent des réflexions multiples des rayons lumineux de sorte que l'énergie qu'ils transportent est très rapidement transformée en chaleur on obtient ainsi un transducteur qui a non seulement un bon rendement optoacoustique global, mais également un bon rendement dynamique.
  • La figure 4 illustre un mode de réalisation dans lequel l'absorption de lumière se fait en surface. La membrane 12 comporte cette fois une partie centrale plane disposée en regard d'une fibre optique ou d'un faisceau de fibres optiques 7 et porte une fine couche de matière absorbante 28 tournée vers l'extrémité du faisceau 7. La couche absorbante 28 est de préférence isolée thermiquement de la membrane par une pastille isolante 29.
  • Ainsi qu'il a été exposé ci-dessus, on obtient dans ce cas des variations locales de la température de l'air dans le volume immédiatement adjacent à la couche absorbante et ces variations provoquent une vibration de la membrane. Si le volume de la cavité tel qu'il est illustré provoque des déperditions trop grandes on peut adopter pour la paroi en regard de la membrane 12 un profil homothétique de celle-ci comme dans les modes de réalisation des figures 1 et 2.
  • Bien entendu l'invention n'est pas limitée aux modes de réalisation décrits mais on peut y apporter des variantes de réalisation sans sortir du cadre de l'invention. En particulier, bien que dans le mode de réalisation illustré par la figure 1 on ait prévu un organe diffuseur de lumière sous forme d'une lentille de forme sphérique disposée à l'extrémité de la fibre 7, la lentille de forme sphérique 6 peut être remplacée par un autre organe diffuseur de lumière, par exemple une lentille de forme elliptique ou autre ou encore par un épanouissement d'un faisceau de fibres à l'intérieur de la cavité 16, ou par terminaison conique d'une fibre optique ou d'un faisceau de fibres optiques.
  • De même, bien que dans le mode de réalisation de la figure 1 les différents composants soient tous en matière synthétique organique, certaines parties peuvent être réalisées en métal, en particulier la membrane flexible 12, comme dans le cas des autres modes de réalisation.
  • Par ailleurs, dans le cas où la cavité 16 est fermée et étanche, on peut prévoir d'y introduire un gaz particulier, par exemple un gaz rare tel que le xénon.

Claims (9)

  1. Transducteur optoacoustique comprenant une cavité (16) communiquant avec un organe de transmission de lumière (7) fixé sur un côté de celle-ci, et des moyens d'absorption disposés dans la cavité pour absorber la lumière et la convertir en chaleur, la cavité comportant une partie de paroi formée par une membrane flexible, caractérisé en ce qu'il comporte des moyens pour assurer une diffusion accélérée de la lumière dans les moyens d'absorption.
  2. Transducteur optoacoustique selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cavité (16) comporte une paroi (6,11) en regard d'une face de la membrane ayant une surface de conformation sensiblement identique à cette face de la membrane.
  3. Transducteur optoacoustique selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'il comporte un organe diffuseur de lumière (6) disposé à une extrémité de l'organe de transmission de lumière (7).
  4. Transducteur optoacoustique selon la revendication 3 caractérisé en ce que l'organe diffuseur de lumière (6) forme une partie de la paroi de la cavité en regard de la membrane.
  5. Transducteur optoacoustique selon la revendication 4 caractérisé en ce que l'organe diffuseur (6) est une lentille de forme sphérique.
  6. Transducteur optoacoustique selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel la membrane comporte une partie centrale en forme de calotte sphérique associée à une partie périphérique annulaire ayant une section en arc de cercle, caractérisé en ce que l'organe de transmission de lumière (7) débouche dans la cavité en un point en regard d'un bord de la partie centrale (13) de la membrane (12) et en ce que la membrane comporte une face réfléchissante tournée vers l'intérieur de la cavité.
  7. Transducteur optoacoustique selon l'une des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la cavité comporte une première partie de cavité (16 . 1) ayant une paroi rigide réfléchissante et contenant les moyens d'absorption, et reliée par un orifice (27) à une seconde partie de cavité (16.2) dont la membrane (12) forme une partie de paroi.
  8. Transducteur optoacoustique selon la revendication 7, caractérisé en ce que la première partie de cavité (16.1) est sphérique.
  9. Transducteur optoacoustique selon l'une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que les moyens d'absorption comprennent une couche (28) de matériau absorbant disposée sur la membrane (12) en regard d'une extrémité de l'organe de transmission de lumière (7).
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