Оптико-электронный микрофон Советский патент 1984 года по МПК H04R23/00 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в акустике для исследований характеристик звуковых полей. Известен оптико-электронный микрофон, содержащий корпус, в котором расположены лазер, интерферометр Майкельсона, фотоприемник, дополнительное зеркало и акустический волновод, расположенный в рабочем плече интерферометра Cl. Недостатком данного микрофона является отсутствие аналогового выходного сигнала, что ограничивает область его применения. Известен также оптико-электронный микрофон с аналоговым преобразо вателем интенсивности звука в элект рический сигнал, содержащий размещенные в корпусе оптически согласованные лазер с активной средой, рас положенной между двумя полупрозрачньвли светоотражателями, интерферометр, расположенный напротив первог полупрозрачного светоотражателя лазера, фазосдвигающее устройство, размещенное в рабочем плече интерфе рометра, и фотоприемник, подключенный через усилитель к регистра тору, Г}ри этом Корпус выполнен с акустиче ким окном С2 . Недостатком известного микрофона является узкий динамический диапазон работы при аналоговом преобразо вании входного сигнала. Цель изобретения - расширение ди намического диапазона микрофона при аналоговом преобразовании выходного сигнала. Поставленная цель достигается тем что в оптико-электронный микрофон, содержащий размещенные в корпусе оп тически согласованные лазер с активной средой, расположенной между дву мя полупрозрачными отражателями, двухлучевой интерферометр, расположейный напротив первого полупрозрачного светоотражателя лазера, выполненный в виде светоделителя и оптически связанных с ним двух глухих светоотражат ей, образующих опорное и рабочее плечи интерферометра, фазо сдвигающее устройство, размещенное в рабочем плече интерферометра, фотоприемник, установленный на выходе интерферометра-, а также усилитель, подключенный к фотоприемнику, и регистратор, при этом корпус выполнен с акустическим окном в виде отверстия, расположенного лежду светоделителем и первым глухим светоотражателем, введены второй фотопрйемник:, установленный напротив второго полупрозрачного светоотражателя лазера, второе фазосдвигающее устройство, расположенное в опорном плече интерферометра Майкельсона, второй усилитель, два делительных устройства, два электронных -ключа, двухпозиционное пороговое устройство, источник Опорного напряжения и блок масштабирования, а акустическое окно снабжено шторкой из акустонепрозрачного материала, установленной с возможностью перемещения параллельно оси лазера, при этом шторка связана с датчиком положения, выход второго фотоприемника соединен с входом второго усилителя, выходы усилителей подключены к входам первого делительного устройства и соответственно к входам первого и второго электронных kлючeй, выход первого делительного устройства подключен к первому входу двухпозиционного устройства, второй вход которого соединен с источником Опорного напряжения, выходы двухпозиционного порогового устройства подключены к управляющим входам электронных ключей, выход первого ключа через блок масштабирования, а также выход второго ключа соединены с первым входом второго делительного устройства, второй вход которого, подключен к выходу датчика положения шторки, а выход второго делительного устройства - к первому входу регистратора, второй вход которого соединен с выходом первого ключа. На фиг. 1 представлена функциональная схема оптико-электронного микрофона; на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие его работу. Предлагаемый микрофон содержит лазер с активной средой 1 и полупрозрачными светоотражателями 2 и 3, светоделитель 4, глухие светоотражатели 5 и 6, фотоприемники 7 и 8, расположенные в корпусе 9, имеющем акустическое окно, выполненное в виде отверстия 10, снабженного одной или двумя шторками 11, выполненными из акустонепрозрачного материала, положение которых контролируется датчиком 12 положения. Элементы 1-7 образуют двухлучевой интерферометр Майкельсона. Элементы 1,2,3, 6 и 8 составляют многолучевой трехзеркальный интерферометр Эшби-Джеффекота. Интерферометры строятся для различных длин волн лазерного излучения. Лазер выполняется двухволновым, а параметры светоделителя 4 и глухих ветоотражателей 5 и б выбираются птимальными для работы интерферометра Майкельсона на одной длине волны, а многолучевого интерферометра надругой. Для реализации двухволнового ваианта может быть выбран . аргойовый азер,, использующий в качестве акивной среды 1 ионизированный аргон, енерирукиций две длины волны 0,4в и мкм. Первую длину волны следует спользовать для работы интерферометpa Майкельсона, a вторую - для многолучевого интерферометра. Полупрозрачный светоотражатель 2 выполняют с коэффициентом отражения 97-98% для обеих длин волн, а г олупрозрачный светоотражатель 3-е коэффициентом отражения 40-60%. Коэффициент отражени; светоделителя 4 выполняют максимально прозрачным на длине волны 0,53 мкм и полупрозрачным на 50% для длины волны 0,48 мкм лазерного излучения. Коэффициент отражения глухого светоотражател. 6 де лают максимально большим на длине вoJlHы 0,48 мкм и минимальным на 0,53 мкм. Коэффициент отражения глухого светоотрс1жателя 5 делают максимально большим на обоих длинах волн. Перед фотоприемником 7 в этом случае располагают светофильтр на длину вол ны 0,48 мкм, а перед фотоприемником 8 - светофильтр на длину волны 0,53 мкм. Оптико-электронный микрофон содержит также два фазосдвигающих устройства, выполненные в виде пьезоэлектрических втулок 13 и 14, жестко соединенных со светоотражателями 5 и б и подключенных с внешней и внутренней стороны к генераторам15 и 16 напряжения. Необходимыми элементами подобных микрофонов являются также юстировочные винты, пружины, штифты и т.п. (не показаны). Микрофон включает также блоки- 17 и 18 вторичной и регистрирующей аппа ратуры соответственно. Блок 17 вторичной аппаратуры выполнен в виде усилителей 19 и 20, входы которых подключены к выходам фотоприемников 7 и 8, а выходы - к входам делительного устройства 21, выход последнего Ьоединен с первым входом двухпозиционного порогового устройства 22, второй вход которого подключен к источнику 23 опорного напряжения. Блок 17 вторичной аппаратуры содержит также два электронных ключа -24 и 25, входы которых подключены к выходам усилителей 19 и 20, а управлякщие входы - к выходам двухпозиционного порогового устройства 22. Блок 18 регистрирующей аппаратуры содержит блок 26 масштабирования, де лительное устройство 27, преобразова тель напряжение - код 28 и регистратор 29. Вход делительного устройства 27 через блок 26 масштабирования соединен с выходами электронных клю чей 24 и выходом электронного ключа 25.-Второй вход делительного устрой ства 27 и вход преобразователя напряжение - -код 28 подключены к выходу датчика 12 положения шторки, а выход делительного устройства - к регистратору 29, который выполнен с /двумя шкалами. Выход электронного ключа 24 подключен также к указател шкалы регистратора 29. Работа оптико-электронного микроонд в широком рабочем диапазоне вуковых давлений основана на разичных чувствительностях двухлучеого 1-7 и многолучевого 1, 2, 3, 5 8 интерферометров к изменениям оптического пути. Вид преобразовательной кривой двухлучевого интерфероетра представлен кривой 30, а многолучевого кривой 31 (фиг. 2). Наклон кривой 30 пропорционален квад1 ату косинуса, а наклон кривой 31 определяется коэффициентом Ьтражения светоотражателя 5 мощностью излучения лазера и прозрачностью светоделителя 4. Наклон кривой 31 обычно на дватри порядка больше наклона кривой 30. Различный наклон преобразователь- ных кривых 30 и 31 приводит к томх, что на один и тот же входной сигнал 32 интерферометры вырабатывают сигналы 33 и 34 различной величины, пропорциональной их чувствительности. Причем отношение сигналов 33 и 34 будет одним и тем же в любой момент времени, если величгГна входного сигнала (изменение оптического пути от воздействия звукового давления) не выходит за линейный диапазон преобразовательной кривой 31 многолучевого интерферометра. На фиг. 2 показаны максимально возможные сигналы 35 и 36, преобразуемые многолучевым и двухлучев{лм интерферометрами без искажения соответственно. Хотя величины амплитуд сигналов 35 и 36 будут различаться на два-три порядка, они приведут к одному и тому же значению выходного сигнала 37 для обоих интерферометров. Перед началом работы ОЭМ с помощью фазосдвигающих устройств 13-16 рабочие точки А и Б обоих интерферометров (фиг. 2) известным способом устанавливают в области максимальной крутизны и линейности преобразовательных кривых 30 и 31. При, этом фазосдвигаюадее устройство сдвигает разность фаз интерферирующих лучей сразу в обоих интерферометрах, а фазосдвигающее-устройство 14,16 - лшш) в двухлучевом интерферометре. Поэтому сначала настраивают фазосдвигающим устройством 13, 15 многолучевой интерферометр, а затем ведут настройку двухлучевого интерферометра.; После этого раздвигают до максимальной ширины акустическое окно 10 и разворачивают его ортогонально направлению звуковой волны которая вызывает изменение давления, плотности и показателя преломления в опорном плече интерферометров, и на выходах фотоприемников 7 и 8 появляются два сигнала 33 и 34 (фиг 2), которые усиливаются усилителями 19 и 20 и

направляются на делительное устройство 21.

Сигнал,равный отношению двух сигналов 33 и 34, направляется в двухпозиционное пороговое устройство 22, в котором сравнивается с заранее подобранным опорным напряжением источника 23. Если величина сигнала 34 не выходит за линейный участок преобразования многолучевого интерферометра (не превышает сигнала 35), то с.игнал, пропорциональный отношению сигналов 33 и 34, равен величине опорного напряжения, и двухпозицион.ное пороговое устройство 22 подает командный сигнал на управляющий вход электронного ключа 25 и открывает его для прохождения сигнала с фотоприемника 8 в блок 18 регистрации. При этом электронный ключ 24 . закрыт.

Если на входе ОЭМ появляется сигнал, превышающий сигнал 35, то отношение двух сигналов 33 и 34 уменьшается и двухпозиционное пороговое устройство открывает электронный ключ 24 If закрывает электронный ключ 25. Теперь на вход блока регистрации поступает сигнал с фотоприемника 7 двухлучевого интерферометра Майкельсона, имеющего меньшую чувствительность, но больший линейный рабочий диапазон измерения.

Блок 26 масштабирования блока 18 регистрации умножает величину сигнала с фотоприемника 7 на величину, соответствующую изменению чувствительности ОЭМ (в данном случае в 100 раз), и поэтому показания регистратора 29 регистрирующего блока 18 не изменяются, но происходит замена измерительной шкалы прибора, о чем указывает светодиод на шкале регистратора 29.

В пределах одного порядка чувствительность ОЭМ можно плавно изменять регулировкой ширины акустического окна 10. Передвигая с помощью микрометрических винтов шторки 11 от периферии к центру, уменьшают размеры акустического окна 10 и тем самым величину входного сигнала до величины сигнала 35 (фиг. 2). Этот момент сопровождается переключением электронных ключей 24 и 25 и заменой измерительной шкалы регистратора 29. При этом датчик 12 положения шторок выдает на преобразователь напряжение - код 28 сигнал, пропорциональный изменению ширины окна 10 и чувствительности ОЭМ. Преобразователь напряжение - код преобразует выходное напряжение датчика 12 положения шторок в сигнал, указывающий в цифровом виде коэффициент, на который надо умножить показания регистратора 29 для получения величины измеряемого уровня звукового давления.

Широкий рабочий диапазон оптикоэлектронного микрофона позволяет применять его как для регистрации разговорной речи (65 дБ), так и длЛ измерения шума при испытаниях авиа5 ционных двигателей (150-160 дБ).

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОФОН, содержащий размещенные в корпусе оптически согласованные лазер с активной средой, расположенной между двумя полупрозрачными отражателями, двухлучевой интерферометр, расположенный напротив первого полупрозрачного светоотражателя лазера, выполненный в виде светоделителя и оптически связанных с ним двух глухих светоотражателей, образующих опорное и рабочее плечи интерферометра, фазосдвигающее устройство, размещенное в рабочем плече интерферометра, фотоприемник, установленный на выходе интерферометра, а также усилитель, подключенный к фотоприемнику, и регистратор, при этом корпус выполнен с акустическим окном в виде отверстия, расположенного между светоделителем и первым глухим светоотражателем, отличающийся тем, что, с целью расширения его динамического диапазона при аналоговом преобразовании входного сигнала, в него введены второй фотоприемник, установленный напротив второго полупрозрачного светоотражателя лазера, второе фазосдвигающее устройство, расположенное в опорном плече интерферометра, второй усилитель, два делительных устройства,два электронных ключа, двухпозиционное пороговое устройство, источник опорного напряжения и блок масштабирования, а акустическое, окно снабжено шторкой из акустонепрозрачного материала, установленной с возможностью перемещения параллельно оси лазера, при этом шторка связана с датчиком положения, выход второго фотоприемника соединен с входом второго .усилителя, выходы усилителей подключены к входам первого делительного устройства и соответственно к входам первого и второго электрон(Л ных ключей, выход первого делитель.ного устройства подключен к первому входу двухпозиционного порогового устройства, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения, выходы двухпозиционного порогового устройства подключены к управлянадим входам электронных ключей, выход первого ключа через блок масшта-Г бирования, а также выход второго ас ключа соединены с первым входом второго делительного устройства, второй вход которого подключен к выходу О) датчика положения шторки, а выход ю второго делительного устройства - к первому входу регистратора, второй вход которого соединен с выходом первого ключа.