SE463065B - Mikrofon foer upptagning av kroppsljud - Google Patents

Description

46.5 065 2.

I de nämnda patentansökningarna finns tvá helt skilda lösningar på detta problem. l SE 8702647-2 beskrivs en till hudens mekaniska impedans anpassad sensor, vars utsignal âr proportionell mot hudytans vibrationer.

Sensorn är uppbyggd som en sandwich-konstruktion av olika skikt. Det aktiva sensorskiktet utgöres av ett piezoelektriskt material, medan övriga skikt har till uppgift att mekaniskt skydda det relativt ömtàliga piezoelektriska skiktet samt attge elektrostatisk skârmning mot nätbrum och andra störningar av elektromagnetiskt ursprung. Detta resulterar i en relativt komplex uppbyggnad med stora krav pá precision och hantverksmässig skicklighet i tillverkningen, vilket leder till en relativt dyr produkt som endast med svårighet och till höga kostnader kan tillverkas i större antal.

I SE 880521-0 beskrivs en mikrofonanordning bestående av tvä eller flera bryggkopplade mikrofoner, där varje mikrofon uppfàngar kroppsljuden via en kapsel som antingen är öppen mot hudytan eller via ett tunt membran i kontakt med denna. Bryggkopplingen gör att starkt lokaliserade akustiska signaler som t ex kroppsljud, genom de bryggkopplade mikrofonerna upptas, medan gemensamt infallande ljudsignaler undertrycks.

Arrangemanget fordrar emellertid för att effektiv störningsundertryckning skall uppnås att den akustiska kopplingen mellan huden och mikrofonerna är lika för båda mikrofonerna. Detta uppnås endast i praktiken till en viss approximationsgrad, vilket innebär att störningsundertryckningen mot luftburna akustiska störningar blir relativt begränsad.

Föreliggande uppfinning löser det grundläggande problemet med störningsundertryckning utan de nackdelar som de ovannämnda konstruktionerna är behäftade med. Uppfinningen kan sägas utnyttja samma grundläggande fysikaliska principer som beskrivits i nämnda ansökningar. i en konstruktion som möjliggör masstillverkning till låg kostnad av en mikrofon med mycket god störningsundertryckning för störningar från olika störkâllor. En annan väsentlig fördel med mikrofonen enligt uppfinningen är enkelheten i dess användning. Den kräver i motsats till flertalet alternativa konstruktioner ingen tätning mot huden och kan enkelt appliceras med tejp eller helt enkelt genom att läggas mot huden.

Uppfinningen kännetecknas av bifogade patentkrav och skall i det följande närmare beskrivas i anslutning till bilagda figurritningar. Figur 1 visar mikrofonen enligt uppfinningen i en föredragen utförandeform, figur 2 uppbyggnaden hos enskilda mikrofonelement. Figur 3 och 4, slutligen, visar alternativa utförandeformer.

Mikrofonen enligt uppfinningen bestàr såsom framgår av figur 1 av en kapsel 1, vars inre utgör ett väsentligen slutet rum mot omgivningen. l själva verket bör tätningen mellan detta rum vara så god att luftburna 3 465 Û65 akustiska signaler i omgivningen ej leds genom ett eventuellt läckage in i det slutna rummet. Materialet i kapseln kan vara en metall eller en polymer, och dess väggar bör vara dimensionerade så att resonanssvängningar i det hörbara frekvensområdet ej kan uppkomma.

Kapselns 1 inre delas i två hâlrum 2, 3 av ett elastiskt membran 4, som kan utgöras av en tunn duk av latex (naturgummi), silicone eller en annan elastomer. På membranet 4 finns en vikt 5, företrädesvis uppbyggd av ett material med hög densitet, anbringad. Då kapseln 1 utsätts för vibrationer, t ex av kroppsljud som når hudyta på vilken kapseln applicerats, kommer vikten 5 genom sin tröga massa och genom membranets elasticitet att motverka vibrationsrörelsen. Detta leder till tryckvariationer av motsatt tecken hos den gas (i allmänhet luft) som finns innesluten i hålrummen 2 och 3. l figur 1 leder en accelererande rörelse nedåt i figuren till en relativ förskjutning av vikten 5 i förhållande till kapseln 1 på så sätt att det övre hàlrummet 2 får ett övertryck medan det undre hålrummet 3 får ett undertryck. Till hålrummen 2 och 3 finns tryckavkännande mikrofonelement 6, 7 anslutna, genom vilka tryckvariationerna i hålrummen omvandlas till elektriska spänningsvariationer. I en utförandeform av mikrofonen enligt uppfinningen sker mikrofonelementens 6, 7 anslutning till hålrummen 2 respektive 3 via var sin rörledning 11, 12.

Denna utförandeform har den fördelen att kapseldelen, inkluderande kapseln 1, membranet 4, vikten 5 och ledningarna 11 och 12 kan tillverkas som en självständig enhet, vilken genom kopplingsdon 13, 14 kan inkopplas resp frànkopplas till mikrofonelementen 6, 7. Kopplingsdonet 13, 14 kan i enklaste fall bestå av två rörsektioner, varav den ena är konisk, såsom visas i fig 1. Andra utförandeformer med låsbara kopplingsdon är givetvis möjliga, utnyttjande t ex skruv- eller bajonettfattning.

Mikrofonelementen 6, 7 är sammankopplade i en bryggkoppling med två spänningsmatande ledningar 8, 10 och en signalåterförande ledning 9.

Såsom beskrivits i patentansökan SE 880521-0 ger en sådan bryggkoppling av mikrofonelement undertryckning av störningar som infaller mot båda elementen i samma fas. Detta är t ex fallet med luftburna akustiska störningar, om mikrofonelementens inbördes avstånd är väsentligt mindre än ljudvåglängden hos den akustiska störningen. ' Bryggkopplingen är speciellt lämplig, då kapacitiva elektretelement med inbyggda impedansomvandlare utnyttjas som mikrofonelement. Ett sådant mikrofonelement är schematiskt avbildat i figur 2. Mikrofonelementet består av en kondensator 15, vars plattavstånd och därmed kapacitansvårde varierar med trycket. Ett polariserat s k elektretmaterial 17 är inlagt i kondensatorn 15, vilket gör att kapacitansvariationerna ger en laddningsförskjutning och därmed åtföljande spänningsvariation mellan kondensatorns anslutningar. Denna spänningsvariation påförs styrelektroden på en fälteffekttransistor 16 vars huvudsakliga funktion är 465 oss , att leverera en utsignal med låg utimpedans, därmed tillåtande praktiskt användbara anslutningslängder på den signalåterförande ledningen.

Mikrofonelement med små dimensioner och med inbyggda impedansomvandlare enligt denna beskrivning finns kommersiellt tillgängliga i en rad olika detaljutföranden och masstillverkas för bruk i telefonapparater, bandspelare m m. i Som beskrivits i SE 880521-0 är det möjligt i bryggkopplingen att kompensera för individuella variationer i känslighet hos mikrofonelementen 6, 7 genom att koppla in motstånd och/eller kondensatorer 18, 19 parallellt eller i serie med mikrofonelementen.

Kapseln 1 kan med fördel vara cylindrisk med en diameter av 15 - 50 mm och en höjd av 5 - 25 mm. Om kraven på distorsionsfri signalöverföring är höga, skall ledningarnas 11, 12 längd vara väsentligt mindre än ljudvåglângden för den högsta frekvens man önskar registrera. Är ledningarna längre, uppstår stående vågor som omfördelar signalens frekvensinnehåll till frekvenser där de kända resonansvillkoren för stående vågor är uppfyllda. I många applikationer, t ex patientövervakning, är detta distorsionsfenomen tämligen ovâsentligt, varför meterlånga ledningar ibland kan utnyttjas. Ledningarnas innerdiameter bör vara så liten som möjligt, eftersom dess volym adderar sig till hålrummens 2, 3.

Ju mindre den samlade luftvolymen är, desto större blir den tryckändring som fås för en given rörelse hos membranet 4 och vikten 5. Om långa ledningar 11, 12 är nödvändiga, kan innerdiametern ofta avpassas så att ledningarnas flödesmotstånd ger en optimal dämpning av de ovannämnda resonansfenomenen. Exempelvis kan vid 100 cm ledningslängd effektiv dämpning, och därmed relativt distorsionsfri signalöverföring, fås med en innerdiameter av ca 1.0 mm. Materialet hos ledningarna 11, 12 kan lämpligen vara en relativt töjbar och flexibel polymer, t ex polyvinylklorid med tillsats av mjukgörare. Ledningarna 11 och 12 kan också inbyggas i ett enda gemensamt plasthölje.

Ett annat mekaniskt resonansfenomen uppträder till följd av viktens 5 massa och elastisk fjäderverkan hos membranet 4 i kombination med eftergivligheten ("compliance") hos den innestängda luftvolymen i hålrummen 2 och 3, eventuellt med luftvolymen hos ledningarna 11 och 12.

Denna mekaniska resonansfrekvens bör i tillämpningar som kräver god signalåtergivning antingen väljas lägre eller högre än de avsedda kroppsljudens frekvensområde.

En fördel med kopplingsdon. 13, 14 för icke-permanent anslutning mellan kapseldelen och mikrofonelementen är att kapseldelens dimensioner, form och vikt samt ledningarnas längd kan anpassas till den individuella patientens anatomi och till applikationen genom utbytbarhet mellan A63 065 5 kapseldelar och ledningar. Detta är väsentligt, eftersom variationerna är så stora mellan olika patientgrupper. l vissa utförandeformer kan det vara en fördel att bygga in mikrofonelementen 6, 7 i en förstärkarlåda, varvid de elektriska förbindningarna 8, 9, 10 också är inneslutna i denna.

I sammanhang där signalkvalitén är av yttersta vikt önskar man nedbringa den innestängda volymen 2, 3_ och ledningarnas 11, 12 längd. I dessa sammanhang är Utförandeformen enligt figur 3 aktuell. Figuren visar en mikrofon med många gemensamma kännetecken med den i figur 1 avbildade.

Míkrofonen består också av en kapsel 1 vars inre är uppdelat i två hålrum 2, 3 av ett membran 4 och en vikt 5. Två mikrofonelement 6, 7 är anslutna till hålrummen 2 resp 3. I detta fall sker anslutningen dock genom att mikrofonelementen monterats direkt i själva kapseln genom hål 20, 21 upptagna i kapselväggen. På samma sätt som i figur 1 är mikrofonelementen elektriskt anslutna genom en bryggkoppllng med två ledningar 8, 10 för spänningsmatning och en ledning 9 för signalåterföring.

I figur 4 beskrives en tredje utförandeform av mikrofonen enligt uppfinningen. Denna har likheter med de i figur 1 och 3 beskrivna i det att den består av en kapsel, i detta fall uppbyggd av tre sammanfogade plattor 22, 23, 24 av enkristallint kisel. Kapselns inre är uppdelat i två hålrum 25, 26 genom ett membran 27 och en vikt 28, vilka har etsats ut ur den ena av de tre kiselplattorna 23.

Luftgapet 29 mellan plattan 22 och vikten 28 utgör en kondensator, vars kapacitansvärde är beroende av luftgapets storlek, som i sin tur varierar vid vibrationsrörelser hos kapseln till följd av membranets 27 elasticitet och viktens 28 massa. Kapacitansvärdets variationer orsakar en laddningsförskjutning i ett tunt skikt 30 av ett elektretmaterial som applicerats så att det täcker styrområdet på en fälteffekttransistor, vilken integrerats enligt känd teknik utnyttjande fotolltografi och dopning genom diffusion av spårämnen in i kiselplattan 22. Fälteffekttransistorn består av en genom styret modulerbar ledande kanal 33 samt av "source"- och ”drain"-kontakter 31, 32. Kanalens 33 konduktans moduleras på känt sätt av laddningsförskjutningen på styret, varvid impedansomvandling sker på analogt sätt som tidigare beskrivits i anslutning till figur 2.

Utförandeformen enligt figur 4 är ägnad att visa hur hela mikrofonkonstruktionen enligt uppfinningen kan integreras på ett fåtal kiselplattor. Genom att utnyttja tillverkningsteknik känd från tillverkning av integrerade kretsar, är det möjligt att masstillverka mikrofonen enligt uppfinningen till mycket låg kostnad. Tillverkningen innebär ett fåtal process-steg, såsom deponering av elektretmaterial, spårämnen för dopning, samt av metallskikt för ledningsdragning, etsning av håligheter samt slutligen sammanfogning. 463 065 b Mikrofonen enligt uppfinningen kan varieras pà mångahanda sätt inom ramen för nedanstående patentkrav.

Claims (10)

Aßš 065 Patentkrav.

1. Mikrofon för upptagning av kroppsljud kännetecknad av en väsentligen tät och formstyv kapsel (1), vars inre uppdelats i minst två hålrum (2, 3), åtskilda av minst ett elastiskt membran (4) på vilken minst en vikt (5) applicerats, samt att till minst ett av hålrummen (2, 3) minst ett tryckavkännande mikrofonelement (6, 7) är anslutet.

2. Mikrofon enligt patentkrav 1 kännetecknad av att vart och ett av hålrummen (2, 3) är anslutna till var sitt mikrofonelement (6, 7), varvid dessa är sammankopplade i en bryggkoppling med matarledningar (8, 10) och minst en signalåterförande ledning (9) på så sätt att tryckdifferenser mellan hålrummen (2, 3) ger upphov till elektriska spännlngsvariationer på den signalåterförande ledningen (9), medan gemensamma tryckvariationer som uppträder samtidigt i hålrummen (2, 3) ej ger upphov till sådana spännlngsvariationer.

3. Mikrofon enligt patentkrav 1 kännetecknad av att mikrofonelementen (6, 7) utgöres av kapacitiva elektretelement (15) med inbyggda impedansomvandlare (16).

4. Mikrofon enligt patentkrav 1 kännetecknad av att mikrofonelementen (6,7) är anslutna till respektive hålrum (2, 3) via rörformade, företrädesvis böjbara ledningar (11, 12).

5. Mikrofon enligt patentkrav 1 kännetecknad av att mikrofonelementen (6,7) är anslutna till respektive hålrum (2, 3) genom montering i öppningar (20, 21) i kapselns (1) vägg.

6. Mikrofon enligt patentkrav 1 kännetecknad av att viktens (5) massa, i kombination med membranets (4) och hålrummens (2, 3) elastiska eftergivlighet valts så att dess mekaniska egenfrekvens ej ger upphov till förvrängning av de kroppsljud som skall återges.

7. Mikrofon enligt patentkrav 1 och 4 kännetecknad av att ledningarnas (11, 12) innerdiameter är avpassad så att dess flödesmotstånd ger upphov till dämpning av resonansfenomen i kapseln (1) eller ledningarna (11,12). 465 065

8. Mikrofon enligt patentkrav 1 och 4 kânnetecknad av minst ett kopplingsdon (13, 14) till ledningarna (11, 12) för ickepermanent sammankoppling av kapseln (1) med mikrofonelement (6, 7).

9. Mikrofon enligt patentkrav 1 .kânnetecknad av att vikt (28), membran (27), mikrofonelement (29) år uppbyggda i enkristallint kisel genom etsning, ytdeponering och sammanfogning av ett fåtal kiselkristailer (22, 23, 24).

10. Mikrofon enligt patentkrav 1 och 2 kännetecknad av minst ett resistivt eller kapacitivt impedanselement (18, 19) inkopplat i serie eller parallellt med minst ett av mikrofonelementen (6, 7).