RU2047944C1

RU2047944C1 - Optical microphone

Info

Publication number: RU2047944C1
Authority: RU
Inventors: А.А. Катанович; Б.В. Шитов
Original assignee: Войсковая часть 60130
Priority date: 1990-03-27
Filing date: 1990-03-27
Publication date: 1995-11-10

Abstract

FIELD: acoustics. SUBSTANCE: optical microphone has case, membrane attached around periphery of case, source of monochromatic radiation, focusing lens, phorodetector. Longitudinal grooves where fibre-optical light guide is placed are made in inner surface of membrane. Grooves are covered by film. Source of monochromatic radiation and focusing lens are positioned opposite to first lead of fibre-optical light guide. Photodetector is put opposite to second lead of fibre-optical light guide. EFFECT: simplified design, enhanced reliability and efficiency. 4 dwg

Description

Изобретение относится к акустике и может быть использовано в устройствах громкоговорящей связи на подвижных объектах для преобразования акустических сигналов в электрические. The invention relates to acoustics and can be used in speakerphones on moving objects to convert acoustic signals into electrical ones.

Аналогом устройства согласно изобретению является оптоэлектронный микрофон, содержащий корпус, мембрану, закрепленную по периметру на корпусе микрофона, монохроматический источник света и оптическую систему с фотоприемником для преобразования механических колебаний в электрические. An analogue of the device according to the invention is an optoelectronic microphone, comprising a housing, a membrane fixed along the perimeter on the microphone housing, a monochromatic light source and an optical system with a photodetector for converting mechanical vibrations into electrical ones.

Прототипом является оптоэлектронный микрофон, содержащий корпус, мембрану, закрепленную по периметру на корпусе, и установленные внутри корпуса монохроматический источник света, фокусирующую линзу, светоделительный кубик, зеркало, линзу и фотоприемник. Микрофон работает следующим образом. Акустическая волна возбуждает механические колебания мембраны, которые преобразуются в электрический сигнал при помощи оптоэлектронного устройства. Пучок света, излучаемый монохроматическим источником света, фокусируется линзой и расщепляется светоделительным кубиком на два пучка. Один из расщепленных пучков отражается от неподвижного зеркала, другой от мембраны. Отраженные пучки света создают интерференционную картину, меняющуюся в зависимости от положения мембраны, которая расширяется при помощи линзы и проектируется на входное окно фотоприемника. The prototype is an optoelectronic microphone containing a housing, a membrane fixed around the perimeter of the housing, and a monochromatic light source, a focusing lens, a beam splitter, a mirror, a lens, and a photodetector installed inside the housing. The microphone operates as follows. An acoustic wave excites mechanical vibrations of the membrane, which are converted into an electrical signal using an optoelectronic device. A beam of light emitted by a monochromatic light source is focused by a lens and is split by a beam splitter cube into two beams. One of the split beams is reflected from a fixed mirror, the other from the membrane. The reflected light beams create an interference pattern that varies depending on the position of the membrane, which expands with a lens and is projected onto the input window of the photodetector.

Недостатками как аналога, так и прототипа являются большие потери световой энергии и малый диапазон преобразования акустического сигнала в электрический, а также невысокая надежность этих устройств при внешних воздействиях (ударов, вибрации и т.п.). The disadvantages of both the analogue and the prototype are large losses of light energy and a small range of conversion of the acoustic signal into electrical, as well as the low reliability of these devices under external influences (shock, vibration, etc.).

Цель изобретения повышение надежности и чувствительности микрофона. The purpose of the invention is to increase the reliability and sensitivity of the microphone.

Поставленная цель достигается тем, что в оптическом микрофоне, состоящем из корпуса, мембраны, закрепленной по его периметру, монохроматического источника света, фокусирующей линзы и фотоприемника, на внутренней поверхности мембраны выполнены продольные пазы располагающиеся по спирали, в которых размещен волоконно-оптический световод, при этом пазы покрыты пленкой, а источник монохроматического излучения и фокусирующая линза установлены напротив первого конца волоконно-оптического световода, а фотоприемник расположен напротив второго конца волоконно-оптического световода. This goal is achieved by the fact that in the optical microphone, consisting of a housing, a membrane fixed along its perimeter, a monochromatic light source, a focusing lens and a photodetector, longitudinal grooves are arranged on the inner surface of the membrane in a spiral, in which the optical fiber is placed, the grooves are covered with a film, and the monochromatic radiation source and focusing lens are mounted opposite the first end of the optical fiber, and the photodetector is located opposite the second the end of the fiber optic light guide.

На фиг.1 показан предлагаемый микрофон; на фиг.2 разрез А-А на фиг.1; на фиг. 3 сферическая поверхность мембраны; на фиг.4 график, поясняющий работу микрофона. Figure 1 shows the proposed microphone; figure 2 section aa in figure 1; in FIG. 3 spherical surface of the membrane; figure 4 is a graph explaining the operation of the microphone.

Оптический микрофон содержит монохроматический источник 1 света, фокусирующую линзу 2, размещенную напротив входа в волоконно-оптический световод 3, расположенный в пазах 4, выполненных в виде спирали на внутренней поверхности мембраны 5 и закрытых пленкой 6, а также фотоприемник 7, расположенный напротив выхода световода 3. Микрофон размещен в корпусе 8, имеющем отверстия, защищенные декоративной сеткой. The optical microphone contains a monochromatic light source 1, a focusing lens 2, located opposite the entrance to the optical fiber 3, located in the grooves 4, made in the form of a spiral on the inner surface of the membrane 5 and covered by a film 6, as well as a photodetector 7, located opposite the output of the fiber 3. The microphone is placed in the housing 8 having openings protected by a decorative mesh.

Световой пучок от источника 1 света фокусируется линзой 2 и направляется перпендикулярно торцу световода 3, размещенного в пазах 4 мембраны 5 по спирали. Такое размещение световода 3 позволяет увеличить его суммарную рабочую длину на мембране, что обеспечивает максимальную глубину модуляции интенсивности светового потока. The light beam from the light source 1 is focused by the lens 2 and is directed perpendicular to the end of the optical fiber 3, arranged in a spiral grooves 4 of the membrane 5. This placement of the optical fiber 3 allows you to increase its total working length on the membrane, which provides the maximum depth of modulation of the intensity of the light flux.

Микрофон работает следующим образом. The microphone operates as follows.

В исходном состоянии при плоском положении мембраны среднее значение текущего радиуса световодной спирали R (L), где L длина спирали, минимально. При этом потери в тракте имеют максимальное значение. In the initial state, when the membrane is flat, the average value of the current radius of the light guide spiral R (L), where L is the length of the spiral, is minimal. In this case, the path loss is of maximum importance.

Под воздействием акустических колебаний мембрана начинает изменять свою форму. При колебаниях на первой моде ее форма соответствует части сферической поверхности (фиг.4). В этом случае площадь поверхности мембраны увеличивается, что при сохранении количества витков спирали означает увеличение ее шага, а следовательно, увеличение текущего радиуса витков и уменьшение потерь в световодном тракте оптического микрофона. Таким образом при прогибах мембраны световой поток в оптическом тракте микрофона оказывается промодулированным по интенсивности. Under the influence of acoustic vibrations, the membrane begins to change its shape. When fluctuating in the first mode, its shape corresponds to part of the spherical surface (figure 4). In this case, the surface area of the membrane increases, which, while maintaining the number of turns of the spiral, means an increase in its pitch, and therefore, an increase in the current radius of the turns and a decrease in losses in the light guide path of the optical microphone. Thus, when the deflection of the membrane, the light flux in the optical path of the microphone is modulated in intensity.

При этом в получении эффекта модуляции участвует значительный участок световода свитого в спираль, что обеспечивает высокую чувствительность микрофона. Эффективность устройства может быть оценена следующим образом. At the same time, a significant portion of the fiber twisted into a spiral is involved in obtaining the modulation effect, which ensures high microphone sensitivity. The effectiveness of the device can be estimated as follows.

Для оценки влияния изменений положения мембраны на изменение текущего радиуса кривизны R_т(L) и проходящего светового потока (т.е. чувствительность микрофона) аппроксимируем форму мембраны при колебаниях на первой моде (сферической поверхности) конусной поверхностью.To assess the effect of changes in the position of the membrane on the change in the current radius of curvature R _t (L) and the transmitted light flux (i.e., microphone sensitivity), we approximate the shape of the membrane during vibrations on the first mode (spherical surface) with a conical surface.

При этом полагаем, что основание конуса представляет собой окружность с радиусом, равным радиусу круглой мембраны микрофона, а боковая поверхность касательна по отношению к поверхности соответствующей части сферы. Тогда из рассмотрения сечения изогнутой мембраны следует, что каждый из витков претерпевает относительное изменение радиуса на величину
K

где α угол наклона боковой поверхности конуса к его основанию.Moreover, we assume that the base of the cone is a circle with a radius equal to the radius of the round microphone membrane, and the side surface is tangent with respect to the surface of the corresponding part of the sphere. Then, from a consideration of the cross section of the curved membrane, it follows that each of the turns undergoes a relative change in the radius by
K

where α is the angle of inclination of the lateral surface of the cone to its base.

Для проведения конкретной оценки чувствительности микрофона воспользуемся графиком, на котором представлена зависимость показателя ослабления излучения α* [

от радиуса изгиба волокон, уложенных в кольца с данным радиусом кривизны R_i. При этом воспользуемся аппроксимацией спиральных витков световодного тракта круговыми витками, что справедливо при малых амплитудах колебаний мембраны.To conduct a specific assessment of the microphone sensitivity, we use a graph that shows the dependence of the radiation attenuation index α * [

from the bending radius of the fibers laid in rings with a given radius of curvature R _i . In this case, we use the approximation of the spiral turns of the light guide path in circular turns, which is true for small amplitudes of membrane vibrations.

Предположим, что спираль световодного тракта микрофона имеет четыре витка со средними диаметрами 50, 40, 30 и 20 мм. Assume that the spiral of the microphone's light guide path has four turns with average diameters of 50, 40, 30, and 20 mm.

При реальных значениях угла α 1-3^о относительное изменение радиуса будет находиться в пределах 0,001-0,0001.With real values of the angle α 1-3 °, ^the relative change in radius will be in the range 0.001-0.0001.

Тогда, принимая крутизну графиков для R_i 25,20,15,10 мм минимально возможной α* 0,01 α^*= 0,01

определим потери в световодном тракте при прогибах мембраны диаметром 50 мм на 0,5 мм. Эта величина прогиба характерна для обычных электродинамических микрофонов.Then, taking the slope of the graphs for

R

_i 25,20,15,10 mm of the minimum possible α * 0,01 α ^* = 0,01

we determine the loss in the light guide path when the deflections of the membrane with a diameter of 50 mm by 0.5 mm This amount of deflection is characteristic of conventional electrodynamic microphones.

Согласно формулам относительное изменение потерь будет определяться соотношением
Р_вых Р_вхехр[- α*L] P_вх [-exp(0,01-
0,5 ^. 2 π(25 + 20 + 15 + 10))]
10 lg

10

9,8 ∂Б
Таким образом колебания мембраны 0,5 мм вызовут изменение потерь до 9,8 дБ, что легко фиксируется трактом регистрации.According to the formulas, the relative loss change will be determined by the ratio
P _o R P _in exp [- α * L] P _in [-exp (0,01-
0.5 ^. 2 π (25 + 20 + 15 + 10))]
10 lg

10

9.8 ∂Б
Thus, oscillations of the 0.5 mm membrane will cause a loss change of up to 9.8 dB, which is easily fixed by the registration path.

Современные измерители оптических потерь позволяют регистрировать потери с точностью до 0,1-0,01 дБ. Поэтому предложенные принципы построения оптического микрофона обеспечат его высокую чувствительность. Modern optical loss meters allow you to record losses with an accuracy of 0.1-0.01 dB. Therefore, the proposed principles for constructing an optical microphone will ensure its high sensitivity.

Частотные свойства предлагаемого микрофона могут быть оценены следующим образом. The frequency properties of the proposed microphone can be estimated as follows.

Частотные свойства мембраны микрофона связаны с массой мембраны и ее гибкостью соотношением
ω_н=

ω_в= ω_н

^, где ω_н и ω_в верхняя и нижняя граничные частоты;
С₁ гибкость мембраны;
С_о гибкость воздушного объема;
m масса мембраны.The frequency properties of the microphone membrane are related to the mass of the membrane and its flexibility by the ratio
ω _n =

ω _in = ω _n

^Where ω _n and ω _in the upper and lower cutoff frequencies;
With ₁ membrane flexibility;
C _o air volume flexibility;
m is the mass of the membrane.

Круглая мембрана диаметром 5-6 см при изготовлении ее из металла или синтетического материала будет иметь массу 1-3 г. A round membrane with a diameter of 5-6 cm in the manufacture of metal or synthetic material will have a mass of 1-3 g.

Масса световода диаметром 100-120 мкм и длиной до 5 см будет около 0,05 г, что составит 0,5% массы диафрагмы. Наличие пазов на мембране не изменит существенно ее гибкость и специально применяется для корректировки частотных характеристик мембраны. The mass of the fiber with a diameter of 100-120 microns and a length of up to 5 cm will be about 0.05 g, which will be 0.5% of the mass of the diaphragm. The presence of grooves on the membrane does not significantly change its flexibility and is specifically used to adjust the frequency characteristics of the membrane.

Таким образом, по сравнению с аналогом и прототипом оптический тракт микрофона представляет собой единую конструкцию, обеспечивает высокую чувствительность и диапазонные свойства и вместе с тем не требует установки в корпусе дополнительных оптических или механических элементов, что повышает надежность ее функционирования. Thus, in comparison with the analog and prototype, the optical path of the microphone is a single design, provides high sensitivity and range properties and at the same time does not require the installation of additional optical or mechanical elements in the housing, which increases the reliability of its operation.

Claims

OPTICAL MICROPHONE, comprising a housing, a membrane fixed along its perimeter, a monochromatic radiation source, a focusing lens and a photodetector, characterized in that, in order to increase sensitivity and reliability, longitudinal grooves are made on the inner surface of the membrane in a spiral, in which an optical fiber is placed moreover, the grooves are covered with a film, and the monochromatic radiation source and focusing lens are mounted opposite the first end of the optical fiber, and the photodetector is located on otiv second end of the fiber optic light guide.