ОПТИЧЕСКИЙ МИКРОФОН Российский патент 1995 года по МПК H04R23/00 

Изобретение относится к акустике и может быть использовано в устройствах громкоговорящей связи на подвижных объектах для преобразования акустических сигналов в электрические.

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.

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.

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.).

Цель изобретения повышение надежности и чувствительности микрофона.

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.

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.

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.

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.

Микрофон работает следующим образом.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Предположим, что спираль световодного тракта микрофона имеет четыре витка со средними диаметрами 50, 40, 30 и 20 мм.

При реальных значениях угла α 1-3^о относительное изменение радиуса будет находиться в пределах 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.

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.

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.

Частотные свойства предлагаемого микрофона могут быть оценены следующим образом.

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.

Круглая мембрана диаметром 5-6 см при изготовлении ее из металла или синтетического материала будет иметь массу 1-3 г.

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.

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.

Использование: в акустике. Сущность изобретения: микрофон содержит корпус, мембрану, закрепленную по периметру корпуса, источник монохроматического излучения, фокусирующую линзу, фотоприемник, причем на внутренней поверхности мембраны по спирали выполнены продольные пазы, в которых размещен волоконнооптический световод. Пазы покрыты пленкой. Источник монохроматического излучения и фокусирующая линза установлены напротив первого конца волоконно-оптического световода, а фотоприемник расположен напротив второго конца волоконно-оптического световода. 4 ил.

ОПТИЧЕСКИЙ МИКРОФОН, содержащий корпус, закрепленную по его периметру мембрану, источник монохроматического излучения, фокусирующую линзу и фотоприемник, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и надежности, на внутренней поверхности мембраны по спирали выполнены продольные пазы, в которых размещен волоконно-оптический световод, причем 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.