專利名稱：電聲換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聲信號(噪聲、語音以及音樂)向電信號的可靠轉(zhuǎn)換。 然后可以利用傳統(tǒng)的方法來傳輸或存儲電信號。引入了麥克風(fēng)，所述 麥克風(fēng)將聲波直接轉(zhuǎn)換成光信號，然后轉(zhuǎn)換成電信號，而不需要諸如 膜片之類的可移動部件的幫助。
為此，新的麥克風(fēng)利用聲波對穿過聲場介質(zhì)的激光束的光速的影 響，更準(zhǔn)確地說，利用聲波的壓強(qiáng)波動對該光速的影響。光速的變化Ac 與聲壓》成正比?？梢岳酶缮娼M件來確定這樣的小變化Ac，然后將
這樣的小變化Ac轉(zhuǎn)換成與聲壓成正比的電信號。這是新麥克風(fēng)的輸出 信號。
背景技術(shù)：
采用當(dāng)前使用的麥克風(fēng)(聲換能器)，聲壓使諸如膜片之類的彈 性部件彎曲(deflect)。將這種彎曲轉(zhuǎn)換成電測量信號。
電動傳聲器(dynamic microphone)是非常受歡迎的，其中膜片 的彎曲引起了線圈內(nèi)的電壓。目前，采用電容器麥克風(fēng)來實現(xiàn)最大的 動力，其中膜片的彎曲引起電容器電容的變化。近來，存在許多可用 的麥克風(fēng)，其中采用光學(xué)方法(例如，干涉或反射)來測量膜片彎曲。 總是包含可移動或可彎曲的部分(膜片、動圈、帶狀電纜(ribbon)、 粉煤)。
機(jī)械系統(tǒng)具有固有振動，并且機(jī)械系統(tǒng)的彎曲是有限的，由此， 電輸出信號有部分是錯誤的。在大壓強(qiáng)范圍(聽閾(audibility threshold): 20 |aPa，痛閾100 Pa)內(nèi)以及在寬頻率范圍(20Hz至20 kHz)內(nèi)，難以可靠地補(bǔ)償這樣的影響。
機(jī)械系統(tǒng)還響應(yīng)于結(jié)構(gòu)聲(structure-borne sound)以及空氣流動， 這可以導(dǎo)致干擾信號。靈敏的、精確的且低噪聲的麥克風(fēng)通常不夠小，因此與將要測量 的聲場發(fā)生干擾。
在電測量系統(tǒng)(電容器、動圈)中，電磁雜散場可能影響輸出信
號

發(fā)明內(nèi)容
目的
所期望的是一種將無失真聲波轉(zhuǎn)換成電信號的聲換能器，其中不 需要可移動部分。所述聲換能器應(yīng)該工作在整個聲頻范圍內(nèi)以及所有 響度級。
解決方案
介質(zhì)中的光速是
<formula>formula see original document page 4</formula>(1)
c:真空中的光速c-3.1()8ms; n:介質(zhì)的折射率。
在15。C處并且在0.101 MPa的壓強(qiáng)下，空氣的折射率對于波長為 0.2 pm的光是1.000326，對于波長為l pm的光是1.000274。因此，對于 紫外線而言，空氣的折射率比真空中的折射率1大326.1(T6，對于紅外 線而言，空氣的折射率比真空中的折射率1大274.10—6。
折射率還隨壓強(qiáng)而改變，如
生-0,3.10"-3.10-9丄 (2) 命105Pa 尸a
但取決于光波長。因此，光速(方程l)還根據(jù)以下方程改變
-^字Ap 。)
w 傘
例如，當(dāng)氣壓升高lPa時，空氣中的光速減小0.9m/s。 根據(jù)方程3的、光速的變化可以用于確定聲壓。在所穿過的聲場 中，光束的Ac與聲壓》成正比。
通過這兩半分離的激光束的干涉，可以確定速度的這個小變化Ac。在圖1中，示意性地示出了該設(shè)計。
在反射鏡B上分離之后， 一束沿著長度I^的路徑傳播穿過聲場S。 另一束通過隔聲的外殼G在長度L2的路徑上傳播。這兩個光束在反射 鏡C后面進(jìn)行干涉。檢測器H確定光強(qiáng)度并且給出成正比的電信號。
利用2個波方程來描述這兩個光束
E,-Acos(cot-L,k,) (4) E2=Acos(cot-L2k2) (5)
A:幅度
CO:角頻率w-2w; v:光的頻率
L1:聲場S內(nèi)反射鏡之間的路徑
L2:隔聲外殼G內(nèi)的路徑(注意假設(shè)剩余的光路徑長度相等。
從而它們對計算不造成影響。)
k1:聲場中的波數(shù)^^ = ^_ = 1(1 —(6)
(注意允許在首項之后中斷級數(shù)(progression),這是因為^與
l相比是非常小的)
k2:絕緣外殼中的波數(shù)^=^ = ！ (7)
A和A:波長。
在接收器處存在與(E,+E2)s成正比的光強(qiáng)度I。
由于在一個光周期上的時間平均使得與時間不相關(guān)，接收器處的
強(qiáng)度遵循以下方程
/ = /0{1-cos似-L,2)} (8)
"/。 —丄2)-！ } (9)
、 CM ~
三角轉(zhuǎn)換:
/0-/。<jcos——(i^ —Z2)cos—A — j> —/0 |sin——丄2)sm—— J> 、丄uj
5經(jīng)由相位差(L,-L2)，可以將旦設(shè)置成0至2兀之間的每個值，其
中可以將所述值加上2兀的倍數(shù)。如果因此而選擇了值
51
6>
7T
+ z2;r
(z是整數(shù))，則余弦函數(shù)消失。僅保留
義c" 1
(11)
這里，具有波長;i的^代替！。
因為正弦函數(shù)的輻角與l相比非常小，所以可以將該正弦函數(shù)近
似地替換成它的輻角。
(在接收器處測量的)強(qiáng)度的減小量/。-/是
<formula>formula see original document page 6</formula> (12)
強(qiáng)度的減小量與光速的變化Ac成正比，并且與聲場中光路徑的長 度L,成正比。由方程(3)，強(qiáng)度的減小量還與聲壓》成正比。所提出
的無膜片麥克風(fēng)的功能所依據(jù)的是聲壓與接收器處的強(qiáng)度變化之間 的這種比例。


參考附圖，將通過一個示例實施例來更詳細(xì)地說明本發(fā)明。 圖l中示意性地示出了如下設(shè)計通過兩半分離的激光束的干涉 確定速度的小變化Ac。
具體實施例方式
目前，利用光干涉的無膜片麥克風(fēng)的原型尚不可用。然而，利用 根據(jù)圖l進(jìn)行的實驗，可以驗證如發(fā)明內(nèi)容中描述的原理。由高精確度 綠色激光指示器制成的激光二極管用作輻射源。它是具有倍頻的、激 光二極管抽運(yùn)(pump )的釹釔鋁石榴石激光器 (neodymium-yttrium-aluminum-gamet laser) (Nd: YAG激光器)。波長是532，輸出功率是最大值5mW。
將激光器從外殼移除，并且利用固定構(gòu)件(fixture member)將激 光器附到光具座。為了分束，采用所謂的分束立方器(beamsplitter cube),這是因為與半透明的反射鏡相比，分束立方器提供了對光束的 更清楚的分離，即，分束立方器不引起任何二次反射。此外，使用鍍 銀的反射鏡來實現(xiàn)最大的可能反射率。檢測器是具有已集成的前置放 大器的光電二極管，其提供0,4A/W的輸出信號(Newport電池偏置的 硅PIN檢測器(Newport Battery Biased Silicon Pin Detector))。將檢觀U 器的輸出信號提供給數(shù)字存儲示波器(Tektronix TDS220 )。
與小放大器連接的ElacTM揚(yáng)聲器用作聲源。通過函數(shù)信號發(fā)生器 (function generator) (KR-Lab掃頻信號發(fā)生器F 47)產(chǎn)生信號。
例如，利用無膜片麥克風(fēng)對500 Hz、 lkHz以及2kHz的音頻發(fā)生器 產(chǎn)生的三個正弦信號進(jìn)行測量，并且在示波器上將所述三個正弦信號 顯示為時間的函數(shù)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)
-不尋常地，甚至可以采用新麥克風(fēng)的實驗形式，在沒有移動部 分(膜片)的幫助的情況下，從而沒有機(jī)械的幫助的情況下，將聲信 號轉(zhuǎn)換成電信號。
-在所需的開發(fā)之后，可以將麥克風(fēng)制造得尺寸小、外形堅固且 結(jié)構(gòu)緊致。那么麥克風(fēng)對聲場的影響將會較小。
-因為麥克風(fēng)以光學(xué)進(jìn)行操作，所以電磁干擾場幾乎沒有產(chǎn)生影響。
-本發(fā)明的原理還可以用于采用除空氣以外的其它介質(zhì)所進(jìn)行的 聲觀!j量。
-由于兩個激光束之間的干涉方法，使得氣壓(天氣、工作高度) 的變化沒有產(chǎn)生影響。
權(quán)利要求
1、一種聲電換能器，包括激光源以及光接收器，其中，提供聲場，由此能夠在激光束穿過聲場的同時根據(jù)聲壓來調(diào)節(jié)激光束的傳播速度。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的聲電換能器，特別地為無膜片麥克風(fēng)， 其中，所述激光束的傳播速度的變化能夠通過與相干激光束的干涉來 檢測，其中第二個激光束傳播大約相等長的距離，然而，外殼保護(hù)激 光束免受入射聲影響，其中優(yōu)選地，外殼的開口確保了與大氣壓的壓 強(qiáng)均衡。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的聲電換能器，其中， 能夠?qū)蓚€激光束之間的相位差調(diào)整至人/4+人/z，其中z是整數(shù)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1至3所述的聲電換能器，其中， 兩個激光束來源于由分束器分離的脈沖激光束，其中脈沖頻率處于可聽范圍以上。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1至4所述的聲電換能器，特別地為無膜片麥克 風(fēng)，其中，將兩個激光束均在兩個平面平行反射鏡之間各來回反射多次，其 中將反射鏡對中的一個及其間隙暴露給聲，然而保護(hù)另一個免受聲影 響。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1至5所述的聲電換能器，其中， 干涉束的脈沖光落在諸如光電接收器之類的檢測器上，并且將所述脈沖光轉(zhuǎn)換成電信號，其中優(yōu)選地，利用鎖定技術(shù)改進(jìn)輸出信號與 噪聲和干擾信號之比。
全文摘要
一種聲電換能器，包括激光源A以及光接收器H，其中，提供聲場S，由此能夠在激光束穿過聲場S的同時根據(jù)聲壓來調(diào)節(jié)激光束的傳播速度。
文檔編號H04R23/00GK101480068SQ200780024294
公開日2009年7月8日 申請日期2007年6月26日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月27日
發(fā)明者巴爾塔扎·菲舍爾 申請人:Nxp股份有限公司