Оптический микрофон. Оптический микрофон


Оптический микрофон

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в устройствах громкоговорящей и телефонной связи на подвижных объектах для преобразования акустических сигналов в электрические. Оптический микрофон состоит из корпуса, мембраны, закрепленной по его периметру, монохроматического источника света, фокусирующей линзы и фотоприемника. Источник монохроматического излучения и фокусирующая линза установлены напротив первого конца волоконно-оптического световода, а фотоприемник расположен напротив второго конца волоконно-оптического световода. Мембрана микрофона выполнена гофрированной из тонкого слоя нитрида силикона толщиной 0,1 мкм, причем отражение света у нее происходит от центрального участка диаметром 0,4 мм, полученного с помощью нанесения золота фотолитографическим методом. Технический результат - повышение надежности и чувствительности оптического микрофона. 3 ил.

 

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

Для работы по волоконно-оптическим линиям связи на кораблях, судах и других подвижных объектах необходимо применять элементы, работающие по оптическому кабелю. К таким элементам относятся и оптические микрофоны.

В настоящее время волоконные световоды нашли широкое применение на кораблях, судах и подводных лодках [Катанович А.А., Николшин Ю.Л. Корабельные оптические системы связи. СПб., Судостроение, 2009 г., 239]. Важной проблемой, возникающей при внедрении корабельных оптических систем связи, является преобразование акустических сигналов в электрические. Используемые обычные электроакустические преобразователи - микрофоны типа ДЭМШ в аппаратуре связи корабельных комплексов обладают недостаточной защищенностью от радиопомех.

Оптические микрофоны используют принцип модуляции интенсивности лазерного светового луча: луч света от лазерного источника направляется по оптоволокну и освещает мембрану микрофона. При колебании мембраны световой поток модулируется (по интенсивности) и идет по второму оптоволокну на фотодиод, который преобразует сигнал в переменный ток. При таком принципе не используется преобразование колебаний мембраны непосредственно в электрический сигнал, как в обычных микрофонах. Мембрана может вообще размещаться на расстоянии нескольких десятков метров от источника света и фотодиода из-за низких потерь при передаче сигнала по оптоволокну (потери сигнал/шум составляют меньше 2 дБ на 1 км оптоволокна).

Оптический микрофон не производит никаких электромагнитных излучений (ни за счет капсюля, где в других типах микрофонов обычно размещен предусилитель, ни за счет кабелей) и сам нечувствителен к электромагнитным полям. Из-за малых размеров может быть размещен в любом труднодоступным месте (при этом его сложно обнаружить известными методами) и может работать в сильных магнитных, электрических или радиополях.

Аналогом устройства согласно изобретению является оптоэлектронный микрофон (АС СССР №627599, кл. H04R 23/00, 1979). Микрофон содержит корпус, мембрану, закрепленную по периметру на корпусе микрофона, монохроматический источник света и оптическую систему с фотоприемником для преобразования механических колебаний в электрические.

Прототипом является оптический микрофон по патенту РФ №2047944, кл. 6 Н04R 23/00, 1990. Микрофон содержит корпус, мембрану, закрепленную по периметру корпуса, источник монохроматического излучения, фокусирующую линзу и фотоприемник. Источник монохроматического излучения и фокусирующая линза установлены напротив первого конца волоконно-оптического световода, а фотоприемник расположен напротив второго конца волоконно-оптического световода.

Недостатками как аналога, так и прототипа являются большие потери световой энергии и малый диапазон преобразования акустического сигнала в электрический, невысокая надежность этих устройств при внешних воздействиях (ударах, вибрации и т.п.), при этом самое главное - не обеспечивается стабильность работы микрофона из-за технологических проблем, вызванных прежде всего необходимостью обеспечения стабильности работы микрофона и оптимизации отношения сигнал-шум. Источником шума является, в первую очередь, фотодетектор. Для снижения шума следует увеличить мощность источника света (за счет применения диодных лазеров высокой яркости) и увеличить точность детектирования смещений мембраны (которая выполняет роль отражающего зеркала) при колебаниях. Для этого необходимо разработать мембрану, обладающую высокой чувствительностью и точностью воспроизведения звука.

Цель изобретения - повышение надежности и чувствительности оптического микрофона.

Поставленная цель достигается тем, что оптический микрофон состоит из корпуса, мембраны, закрепленной по его периметру, монохроматического источника света, фокусирующей линзы и фотоприемника, причем источник монохроматического излучения и фокусирующая линза установлены напротив первого конца волоконно-оптического световода, а фотоприемник расположен напротив второго конца волоконно-оптического световода, при этом мембрана выполнена гофрированной из тонкого слоя нитрида силикона толщиной 0,1 мкм, причем отражения света у нее происходят от центрального участка диаметром 0,4 мм, полученного с помощью нанесения золота фотолитографическим методом.

На Фиг.1 показан предлагаемый микрофон; на Фиг.2 - график зависимости луча от расстояния между мембраной и оптоволокном.

Оптический микрофон содержит монохроматический источник 1 света, фокусирующую линзу 2, размещенную напротив входа в волоконно-оптический световод 3, связанный с гофрированной мембраной 4, на которой установлено золоченое кольцо 5, а также фотоприемник 6, расположенный напротив выхода световода 3. Микрофон размещен в корпусе 7, имеющем отверстия, защищенные декоративной сеткой.

Световой пучок от источника 1 света фокусируется линзой 2 и направляется перпендикулярно торцу световода 3 на мембрану 4.

Под воздействием акустических колебаний мембрана 4 начинает изменять свою форму. При колебаниях мембраны, на которой находится золоченое кольцо 5 (активная область мембраны), световой поток модулируется и идет по второму оптоволокну на фотодиод 6, который преобразует сигнал в переменный ток.

Интенсивность модулированного светового луча зависит от геометрии отражающей мембраны, расстояния между концом оптоволокна 3 и поверхностью мембраны 4 и угловой позиции волокна относительно поверхности мембраны. Связь между интенсивностью отраженного светового луча и расстоянием от конца оптоволокна до поверхности мембраны показана на фиг.2. В пределах 30 мкм она растет относительно линейно, затем достигает максимума (в данном примере на расстоянии 50 мкм) и начинает спадать. Для сохранения линейности выбирается расстояние на первом участке порядка 35 мкм.

Относительно важную роль для интенсивности выходного луча играет также выбор углового положения оптоволокна относительно поверхности мембраны. При колебании мембраны происходит боковой сдвиг светового пятна относительно центра принимающего волокна, пропорционально величине этого сдвига уменьшается световая интенсивность в принимающем волокне. Для увеличения точности на оптоволокне от источника используется фокусирующая линза. Угловое расположение волокон (фиг.3) оптимизировано с помощью специальной программы типа ZEMAX.

Оптический лазер и фотодиод микрофона смонтированы на одной стеклянной плате, они отделены друг от друга непрозрачной перегородкой и покрыты сверху эпоксидной резиной. Размер лазера 0,2×2 мм, фотодиода - 0,5×5 мм, общий размер микрофона: диаметр - 0,5 мм, толщина - 1,5 мм.

Таким образом, по сравнению с аналогом и прототипом предложенная конструкция оптического микрофона обеспечивает высокую чувствительность и диапазонные свойства и вместе с тем не требует установки в корпусе дополнительных оптических или механических элементов, что повышает надежность его функционирования.

Оптический микрофон, состоящий из корпуса, мембраны, закрепленной по его периметру, монохроматического источника света, фокусирующей линзы и фотоприемника, причем источник монохроматического излучения и фокусирующая линза установлены напротив первого конца волоконно-оптического световода, а фотоприемник расположен напротив второго конца волоконно-оптического световода, отличающийся тем, что мембрана выполнена гофрированной из тонкого слоя нитрида силикона толщиной 0,1 мкм, при этом отражение света у нее происходит от центрального участка диаметр 0,4 мм, полученного с помощью нанесения золота фотолитографическим методом.

www.findpatent.ru

Оптический микрофон

 

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.

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 Rт(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 угол наклона боковой поверхности конуса к его основанию.

Для проведения конкретной оценки чувствительности микрофона воспользуемся графиком, на котором представлена зависимость показателя ослабления излучения * [ от радиуса изгиба волокон, уложенных в кольца с данным радиусом кривизны Ri. 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 1-3о относительное изменение радиуса будет находиться в пределах 0,001-0,0001.

Тогда, принимая крутизну графиков для Ri 25,20,15,10 мм минимально возможной * 0,01 *= 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 Рвых Рвхехр[- *L] Pвх [-exp(0,01- 0,5 . 2 (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 н= в= н, где н и в верхняя и нижняя граничные частоты; С1 гибкость мембраны; Со 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.

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.

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4

www.findpatent.ru

FiberScience. Оптоволоконный микрофон — ПроCall-центр

Оптический микрофон использует принцип модуляции интенсивности лазерного излучения. Источник света направляет лазерный импульс по оптическому волокну на чувствительный элемент — оптоволоконную решетку Брэгга (ВРБ). Приемником звуковых волн является чувствительная мембрана. Колебания мембраны оказывают влияние на деформацию оптоволоконной решетки Брэгга. Деформация волоконной решетки Брэгга модулируют интенсивность светового потока. Отраженный от ВРБ модулированный по интенсивности световой импульс поступает на фотодетектор, который преобразует сигнал в переменный ток.

В принципиальной схеме микрофона не используется прямое преобразование колебаний мембраны в электрический сигнал, как в обычных микрофонах. Низкие потери при передаче сигнала по оптическому волокну (меньше 3 дБ на 1 км) позволяют вынести чувствительный элемент микрофона (мембрана и волоконная решетка Брэгга) на значительное расстояние (до нескольких сотен метров) от лазерного источника света и фотодетектора.

Оптоволоконный микрофон не является источником электромагнитных излучений (ни за счет чувствительного элемента, ни за счет за подводного оптоволоконного кабеля). Оптоволоконный микрофон не нечувствителен к воздействию электромагнитных полей и не может быть заглушен радиочастотными методами.

Малые размеры оптоволоконного микрофона позволяют его разместить в любом труднодоступном месте. При этом, оптоволоконный микрофон крайне сложно обнаружить. Он может работать в сильных магнитных, электрических и радио полях.

Малые размеры мембраны оптического микрофона 10×10 мм снижают переходные и дифракционные искажения, что позволяет получить ровную характеристику модуляции сигнала в широком диапазоне частот от нескольких герц до 20 кГц.

Свойства оптического волокна и чувствительной мембраны позволяют оптоволоконному микрофону работать в широком диапазоне температур от —40 до 80°С. Оптоволоконный микрофон не чувствителен к влаге и может работать не только при влажности 100%, но и под водой.

Оптоволоконный микрофон доступен по цене за счет не высокой стоимости комплектующих материалов. В настоящее время усилия разработчиков направлены на преодоление технологических задач, вызванных оптимизацией отношения сигнал/шум.

Резюмируем преимущества оптоволоконного микрофона:

  1. высокая чувствительность к звуку;
  2. микрофон работает при влажности 100% и, даже, под водой;
  3. чувствительный элемент микрофона полностью избавлен от электропроводящих элементов;
  4. микрофон имеет стандартный микрофонный выход;
  5. микрофон полностью избавлен от помех «обратной связи»;
  6. микрофон не чувствительный к радиочастотным помехам;
  7. микрофон не обнаруживается радиочастотными методами;
  8. микрофон невозможно заглушить электромагнитными волнами;
  9. блок преобразования питается от источника 5 В;
  10. микрофон может быть удален от блока преобразования сигнала на несколько сот метров от точки подключения.

www.contact-centr.ru

Наука: Наука и техника: Lenta.ru

Международная группа исследователей под руководством физика Юджина Ползика создала в Институте Нильса Бора (подразделение Копенгагенского университета) уникальное устройство, получившее название «оптический микрофон». По сути это особый сенсор, который позволяет превращать радиосигналы в оптические, причем делать это с минимальными потерями. Главное, впрочем, заключается в том, что оптический микрофон в перспективе позволяет создавать усилители радиосигнала, которые почти не вносят тепловых помех в сигнал — если быть точным, уровень помех соответствует обычному усилителю, охлажденному до нескольких кельвинов. Статья исследователей появилась в журнале Nature в начале марта.

«Лента.ру» побеседовала с самим Юджином Ползиком. Он рассказал об устройстве прибора и принципах его функционирования. Ползик пояснил, что в основе полученных группой исследователей результатов лежит высокая добротность детектора, которой удалось добиться благодаря нескольким оригинальным техническим решениям. В заключение он назвал проблемы, которые стоят на пути внедрения технологии в массовое производство.

«Лента.ру»: Юджин, расскажите, пожалуйста, про оптический микрофон.

Юджин Ползик: Для начала я расскажу о задаче, которую этот прибор позволяет решать. Сейчас вся беспроводная связь работает на радио- и микроволнах. Это справедливо для самого широкого класса приборов, от мобильников до телескопов, наблюдающих за звездами. С другой стороны, есть проводная связь — тот же интернет, — которая в основном использует световые сигналы. Они могут проходить по оптоволокну десятки километров без потерь, гораздо более эффективно, чем микроволны или радиоволны. Поэтому имеется вполне практическая задача: нужно эффективно превращать радиосигналы в оптические и наоборот.

Сейчас это происходит так: радиосигнал (или микроволновый) преобразуется в приемнике в электрический. Затем он усиливается, обрабатывается и только затем превращается в оптический. Самое слабое место в этой схеме — усиление. Дело в том, что минимальная чувствительность такого устройства зависит от входных шумов: прибор не может зарегистрировать сигнал, который значительно слабее, чем шум, производимый самим прибором. Источником этого шума являются разного рода флуктуации, например, электронов.

Юджин Ползик, Профессор института Нильса Бора, Университет Копенгагена (Дания), член исполнительного комитета Российского квантового центра

Это обычный белый шум или какой-то другой?

На практике, конечно, он не совсем белый. Наши же приборы, как правило, имеют некую резонансную полосу, так что сигнал и шум преобразуются в эту полосу. Но в теории, для простоты, можно считать, что это белый тепловой шум. Человечество за последние 50-60 лет прошло совершенно гигантский путь в направлении улучшения всей этой усиливающей электроники: и операционные усилители маленькие, и интегральные схемки — все эти приборы обладают совершенно потрясающими качествами. За 50 лет их улучшили на много-много порядков, но, тем не менее, они имеют совершенно конечный входной шум, и этот шум представляет собой предел чувствительности.

Это какой-то фундаментальный, теоретический предел?

В общем, да, но и теоретические пределы бывают разные. Думаю, тут в подробности вдаваться не стоит. Главное, что нужно понимать, вот что: самый простой способ уменьшить этот шум — просто все охладить. Скажем, засунуть прибор в жидкий гелий, пусть себе там работает. На самом деле на практике так и делается — скажем, усилители на космических телескопах, работающих в микроволновом диапазоне, так и охлаждают. Например, телескоп «Планк», который занимается наблюдением за реликтовым излучением. Точнее, занимался, сейчас у него кончился гелий, поэтому тепловой шум не дает регистрировать излучение. Или, когда работает функциональный МРТ, усилители там тоже приходится охлаждать — уж больно слабый отклик от молекул идет.

Теперь, что сделали мы. Мы предложили схему прибора, который переводит одни колебания в другие без усилителя. Что это за прибор? По сути, антенна, которая регистрирует это радиоизлучение, присоединяется к конденсатору (это делается, чтобы сделать резонансный отклик системы — в антенне поле радиоволны наводит электрический ток, превращающийся в колебания тока в конденсаторе, и все это считывается). Конденсатор не простой: одна пластина этого конденсатора — это исключительно высокого качества наномембрана. Ее толщина — около ста нанометров, а площадь — примерно половина квадратного миллиметра. Выполнена она из нитрида кремния с металлическим напылением сверху (можно сверху положить слой углерода толщиной в один атом, но с металлом проще).

Мембрана имеет одно просто потрясающее свойство — у нее феноменальная механическая добротность. Добротность — это свойство механической системы как можно дольше сохранять сообщенную ей энергию. Так вот, если я по такой мембране щелкну, скажем, один раз, то она совершит несколько миллионов колебаний, прежде чем затухнет. Представляете? Несколько миллионов!

Группа авторов работы и экспериментальная установка

А чем обусловлена такая добротность?

Добротность, как правило, ограничивается или дефектами, на которых энергия может рассеяться, или контактами с окружающей средой. Если материал очень чистый и контакт с окружающей средой маленький, то добротность оказывается высокой.

Здесь выполняются оба условия. Мембрана делается таким образом: рамочка такая, толщиной 300 микрон, сделанная из чистого кремния, а внизу у нее слой нитрата кремния. С помощью микрофабрикации в ней выедается кратер, донышко которого оказывается толщиной всего около 100 нанометров. В конденсаторе мембрана ставится на стеклянную подложку на крошечных колоннах высотой всего один микрон. Граница рамки — вот и весь контакт с окружающей средой.

Надо сказать, что свойства мембраны мы открыли случайно. Изначально они (только без кратера) использовались как окошки для рентгеновских установок. А потом выяснилось, что во всей этой оптомеханической науке они очень хороши, и теперь мы их изготовляем сами.

Так как этот ваш оптический микрофон конкретно работает?

Когда радиоволна приходит и мембранка начинает колебаться, то мы на эту мембрану светим лазером. Свет от мембраны отражается, приобретая модуляцию в соответствии с колебаниями мембраны (фаза лазерного излучения меняется в зависимости от положения мембраны). Таким образом, мы с помощью мембраны преобразуем радиосигнал в свет.

Оптический микрофон помещают в вакуумную камеру

Фото: Ola Jakup Joensen / NBI

Для того чтобы эта связь была хорошей, мы достигаем сильного взаимодействия между колебаниями заряда и механическим колебанием мембраны. По определению, это такое взаимодействие, когда обмен энергии между ними происходит быстрее, чем диссипация энергии из каждого из этих осцилляторов в окружающую среду. И для того чтобы этого сильного взаимодействия достичь, мы добавляем еще дополнительное напряжение к этому конденсатору, но это уже совсем технические детали.

Свет лазера — это, по определению, предмет практически нулевой температуры, потому что лазерный свет, его флуктуации ограничены исключительно квантовыми флуктуациями, то, что называется нулевыми колебаниями, или дробовым шумом. То есть тепловых флуктуаций в лазере нет. Для сравнения можно сказать, что лампы, которыми мы освещаем свое жилье, имеют в основном тепловой спектр. У излучения Солнца, например, есть температура, поскольку спектр излучения Солнца такой же, как у нагретого абсолютно черного тела (температура, соответственно, это температура, до которого это тело нагрето). Это просто чтобы вы понимали, насколько свет лазера отличается.

Таким образом, та часть нашего усилителя, которая связана с лазером, просто не имеет тепловых шумов, несмотря на то что все происходит при комнатной температуре.

Дальше: какой еще есть источник шумов? Вот мембрана сама: она-то находится при комнатной температуре, и даже если с ней ничего не делать, то она дрожит просто потому, что у нее есть комнатная температура. Дальше получается следующее: мембрана, конечно, дрожит, но дрожание происходит в исключительно узком интервале частот, потому что это такой добротный резонатор, что резонанс у него пара герц.

То есть, если мы теперь этот замечательный, хороший резонатор и мембрану сильно свяжем с нашей антенной, то собственные шумы мембраны будут глубоко-глубоко ниже, чем обычные тепловые шумы при комнатной температуре. То есть мембрана при сильной связи с антенной будет давать вклад в шумы этого усилителя в тысячи раз ниже, чем шум, соответствующий комнатной температуре.

Схема работы устройства

Получается, что наш прибор имеет два источника шума: шум лазера, который нулевой, то есть минимальный квантовый шум, и тепловые шумы мембраны, которые с помощью сильной связи с антенной могут быть подавлены в тысячу раз. То есть шум, который она вносит, соответствует тепловому шуму для температуры в 2 кельвина. Это при том, что установка не охлаждается! Да и мы показали, что в принципе это значение можно понизить до 100 милликельвинов.

И, таким образом, с помощью ваших мембран можно построить усилитель, который эквивалентен усилителю, работающему в охлажденном состоянии?

Абсолютно верно. Но это не сама мембрана, это сочетание мембраны и лазера. Такой оптомеханический усилитель для радиоволн — так это можно сформулировать.

Какой размер установки был у вас?

Размер установки, как всегда водится в лаборатории, пол квадратных метра на пол квадратных метра на еще пол квадратных метра. Сама мембрана — 500 на 500 микрон, ее рамочка — 5 миллиметров, и сам чип, на котором она сидит, тоже примерно такого же размера. Мы сейчас как раз работаем над интегрированием всей этой штуковины в одну цепь — чтобы можно было просто подключить к оптоволокну, по которому сигнал будет приходить и отраженным возвращаться назад. И мы полагаем, что, не считая антенны, которая может быть какая хотите, вся эта вещь будет влезать в пять на пять на пять миллиметров (а если надо, то и меньше).

Есть ли там какие-то подводные камни?

О, полно. Во-первых, сейчас эта штука работает на частоте 0,7 мегагерца. Это, конечно, неплохо, но не очень интересно вот почему: как очень часто бывает и в жизни, чем выше частота колебаний, тем меньше всяких дурацких шумов. И нам сейчас нужно построить новое поколение прибора, который бы работал, скажем, на ста мегагерцах или на двух гигагерцах — это уже области частот, интересные во многих приложениях: все коммуникации работают в этих частотах, томографы работают на них, в области астрофизики это интересно, когда они смотрят на микроволновое излучение космоса.

И понятно, как это сделать: нужно более или менее изменить внешнее напряжение, которое мы подаем.

Материалы по теме

15:18 — 18 июля 2013

То есть теоретически это просчитано?

Да, теоретически это должно работать. Да и практически должно: мы не развивали нашу технологию, а она уже получилась конкурентоспособной (в смысле с существующей электроникой). Так что есть надежда, что все не ограничится просто статьей в Nature. Кстати, в Российском квантовом центре тоже ведутся исследования возможности конверсии микроволнового сигнала в оптический.

Сколько стоит сейчас ваша установка?

Я вам так скажу: первый транзистор, который изготовили 70 лет назад, на наши деньги стоил миллион долларов, если не больше. Сегодня транзистор стоит примерно одну миллионную часть доллара, потому что на доллар можно купить микросхему, в которой этих транзисторов будет десять тысяч. Поэтому вопрос цены — это вопрос того, найдутся ли какие-то приложения. Ничего сверхъестественного здесь нет.

lenta.ru

оптический микрофон - патент РФ 2047944

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. 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 Rт(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 угол наклона боковой поверхности конуса к его основанию. Для проведения конкретной оценки чувствительности микрофона воспользуемся графиком, на котором представлена зависимость показателя ослабления излучения * [ от радиуса изгиба волокон, уложенных в кольца с данным радиусом кривизны Ri. 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 1-3о относительное изменение радиуса будет находиться в пределах 0,001-0,0001. Тогда, принимая крутизну графиков для Ri 25,20,15,10 мм минимально возможной * 0,01 *= 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 Рвых Рвхехр[- *L] Pвх [-exp(0,01- 0,5 . 2 (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 соотношениемн= в= н, где н и в верхняя и нижняя граничные частоты; С1 гибкость мембраны; Со 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.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

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.

www.freepatent.ru

Оптический микрофон

Изобретение относится к области акустических измерений. Технический результат достигается тем, что в оптическом микрофоне, содержащем корпус, мембрану, закрепленную по периметру корпуса, источник излучения, волоконно-оптический световод, фокусирующую линзу и фотоприемник, согласно изобретению он снабжен направляющей линзой, установленным за ней поляризатором, анализатором, установленным перед фокусирующей линзой, фотоумножителем и регистратором, при этом анализатор соединен через шток с внутренней поверхностью мембраны с возможностью поворота при помощи пружинно-рычажного механизма. Применение оптического микрофона обеспечивает следующие преимущества: упрощение конструкции устройств данного типа; повышение точности, оперативности и достоверности измерений; расширение области применения данного вида устройств. 3 ил.

 

Изобретение относится к области акустических измерений.

Известен оптико-акустический приемник (патент РФ 2169911, G 01 J 5/42, 2001.06.27). Устройство содержит камеру, имеющую входное окно, поглощающую пленку и зеркальную мембрану, оптический микрофон, диафрагму и основной фотоприемник. Оптический микрофон включает последовательно установленные источник излучения, основной конденсор, прозрачный растр и объектив, причем прозрачный растр установлен в фокальной плоскости объектива. В отличие от известного он снабжен дополнительным конденсором и фотоприемником, а также светоделительным элементом, установленным по ходу оптических лучей перед основным конденсором. При этом дополнительный конденсор расположен между источником излучения и светоделительным элементом, а дополнительный фотоприемник размещен на оси, перпендикулярной нормали к поверхности зеркальной мембраны и проходящей через центр светоделительной поверхности светоделительного элемента. Светоделительный элемент может быть выполнен с зеркальным покрытием, нанесенным на его светоделительную поверхность, в центре которой имеется прозрачная зона. При этом источник излучения и дополнительный конденсор установлены соосно с основным конденсором, а диафрагма с основным фотоприемником и дополнительный фотоприемник расположены соосно по разные стороны от светоделительного элемента. Кроме того, оптический элемент может быть выполнен с зеркальной зоной в центре его светоделительной поверхности, при этом источник излучения с дополнительным конденсором и дополнительный фотоприемник установлены соосно по разные стороны от светоделительного элемента, а диафрагма и основной фотоприемник расположены соосно с основным конденсором. Недостатком данного устройства является сложность конструкции и использования.

Известен оптический микрофон, принятый за прототип (патент РФ 2047944, H 04 R 23/00, 1995.11.10). Устройство 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 волоконно-оптический 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. Недостатком данного устройства является сложность конструкции.

Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции устройства.

Технический результат достигается тем, что в оптическом микрофоне, содержащем корпус, мембрану, закрепленную по периметру корпуса, источник излучения, волоконно-оптический световод, фокусирующую линзу и фотоприемник, согласно изобретению он снабжен направляющей линзой, установленным за ней поляризатором, анализатором, установленным перед фокусирующей линзой, фотоумножителем и регистратором, при этом анализатор соединен через шток с внутренней поверхностью мембраны с возможностью поворота при помощи пружинно-рычажного механизма, а источник излучения оптически связан через волоконно-оптический световод, направляющую линзу, поляризатор, анализатор, фокусирующую линзу, фотоприемник, фотоумножитель с регистратором.

Применение предлагаемого устройства по сравнению с прототипом позволяет упростить конструкцию устройств данного типа.

Оптический микрофон поясняется чертежами, где на фиг.1 изображено устройство, разрез А-А, на фиг.2 - вид А, на фиг.3 - разрез Б-Б.

На чертежах представлены:

1 - корпус;

2 - мембрана, защемленная по периметру;

3 - фокусирующая линза;

4 - источник излучения;

5 - шток;

6 - пружина;

7 - рычаг;

8 - обойма;

9 - анализатор;

10 - поляризатор;

11 - направляющая линза;

12 - фотоумножитель;

13 - регистратор;

14 - ось анализатора 9;

15 - стойки;

16 - волоконно-оптический световод;

17 - фотоприемник.

Оптический микрофон содержит корпус 1, внутри которого в стойках 15 на оси 14 закрепляют с возможностью поворота на ней анализатор 9, находящийся в обойме 8. В верхней части корпуса 1 по периметру закрепляют мембрану 2 с жестко закрепленным в ее центре симметрии штоком 5. Шток 5 находится в связи при помощи пружинно-рычажного механизма, состоящего из рычага 7 и пружины 6, с осью 14 анализатора 9. Внутри корпуса 1 размещают поляризатор 10 с возможностью его поворота в вертикальной плоскости для настройки работы устройства, например при помощи резьбового соединения (на чертеже условно не показано). Источник излучения 4 оптически связан через волоконно-оптический световод 16, направляющую линзу 11, поляризатор 10, анализатор 9, фокусирующую линзу 3, фотоприемник 17, фотоумножитель 12 с регистратором 13.

Оптический микрофон работает следующим образом. Работа оптического микрофона основана на принципе изменения интенсивности освещенности при повороте оптических осей анализатора 9 относительно поляризатора 10. Перед началом работы устройства поляризатор 10 поворачивают относительно анализатора 9 до полного отсутствия пропускания света от источника излучения 9. При возникновении звуковых колебаний мембрана 2, закрепленная по контуру, вызывает колебания штока 5, вызывающего через пружинно-рычажный механизм поворот анализатора 9. При поворотах анализатора 9 изменяется интенсивность освещения, что фиксируется через фокусирующую линзу 3, волоконно-оптический световод 16, фотоприемник 17 и фотоумножитель 12 регистратором 13.

Применение оптического микрофона обеспечивает следующие преимущества:

- упрощение конструкции устройств данного типа;

- повышение точности, оперативности и достоверности измерений;

- расширение области применения данного вида устройств.

Оптический микрофон, содержащий корпус, мембрану, закрепленную по периметру корпуса, источник излучения, волоконнооптический световод, фокусирующую линзу и фотоприемник, отличающийся тем, что он снабжен направляющей линзой, установленным за ней поляризатором, анализатором, установленным перед фокусирующей линзой, фотоумножителем и регистратором, при этом анализатор соединен через шток с внутренней поверхностью мембраны с возможностью поворота при помощи пружинно-рычажного механизма, а источник излучения оптически связан через волоконнооптический световод, направляющую линзу, поляризатор, анализатор, фокусирующую линзу, фотоприемник, фотоумножитель с регистратором.

www.findpatent.ru

оптический микрофон - патент РФ 2473181

Изобретение относится к области приборостроения и может быть использовано в устройствах громкоговорящей и телефонной связи на подвижных объектах для преобразования акустических сигналов в электрические. Оптический микрофон состоит из корпуса, мембраны, закрепленной по его периметру, монохроматического источника света, фокусирующей линзы и фотоприемника. Источник монохроматического излучения и фокусирующая линза установлены напротив первого конца волоконно-оптического световода, а фотоприемник расположен напротив второго конца волоконно-оптического световода. Мембрана микрофона выполнена гофрированной из тонкого слоя нитрида силикона толщиной 0,1 мкм, причем отражение света у нее происходит от центрального участка диаметром 0,4 мм, полученного с помощью нанесения золота фотолитографическим методом. Технический результат - повышение надежности и чувствительности оптического микрофона. 3 ил.

Рисунки к патенту РФ 2473181

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

Для работы по волоконно-оптическим линиям связи на кораблях, судах и других подвижных объектах необходимо применять элементы, работающие по оптическому кабелю. К таким элементам относятся и оптические микрофоны.

В настоящее время волоконные световоды нашли широкое применение на кораблях, судах и подводных лодках [Катанович А.А., Николшин Ю.Л. Корабельные оптические системы связи. СПб., Судостроение, 2009 г., 239]. Важной проблемой, возникающей при внедрении корабельных оптических систем связи, является преобразование акустических сигналов в электрические. Используемые обычные электроакустические преобразователи - микрофоны типа ДЭМШ в аппаратуре связи корабельных комплексов обладают недостаточной защищенностью от радиопомех.

Оптические микрофоны используют принцип модуляции интенсивности лазерного светового луча: луч света от лазерного источника направляется по оптоволокну и освещает мембрану микрофона. При колебании мембраны световой поток модулируется (по интенсивности) и идет по второму оптоволокну на фотодиод, который преобразует сигнал в переменный ток. При таком принципе не используется преобразование колебаний мембраны непосредственно в электрический сигнал, как в обычных микрофонах. Мембрана может вообще размещаться на расстоянии нескольких десятков метров от источника света и фотодиода из-за низких потерь при передаче сигнала по оптоволокну (потери сигнал/шум составляют меньше 2 дБ на 1 км оптоволокна).

Оптический микрофон не производит никаких электромагнитных излучений (ни за счет капсюля, где в других типах микрофонов обычно размещен предусилитель, ни за счет кабелей) и сам нечувствителен к электромагнитным полям. Из-за малых размеров может быть размещен в любом труднодоступным месте (при этом его сложно обнаружить известными методами) и может работать в сильных магнитных, электрических или радиополях.

Аналогом устройства согласно изобретению является оптоэлектронный микрофон (АС СССР № 627599, кл. H04R 23/00, 1979). Микрофон содержит корпус, мембрану, закрепленную по периметру на корпусе микрофона, монохроматический источник света и оптическую систему с фотоприемником для преобразования механических колебаний в электрические.

Прототипом является оптический микрофон по патенту РФ № 2047944, кл. 6 Н04R 23/00, 1990. Микрофон содержит корпус, мембрану, закрепленную по периметру корпуса, источник монохроматического излучения, фокусирующую линзу и фотоприемник. Источник монохроматического излучения и фокусирующая линза установлены напротив первого конца волоконно-оптического световода, а фотоприемник расположен напротив второго конца волоконно-оптического световода.

Недостатками как аналога, так и прототипа являются большие потери световой энергии и малый диапазон преобразования акустического сигнала в электрический, невысокая надежность этих устройств при внешних воздействиях (ударах, вибрации и т.п.), при этом самое главное - не обеспечивается стабильность работы микрофона из-за технологических проблем, вызванных прежде всего необходимостью обеспечения стабильности работы микрофона и оптимизации отношения сигнал-шум. Источником шума является, в первую очередь, фотодетектор. Для снижения шума следует увеличить мощность источника света (за счет применения диодных лазеров высокой яркости) и увеличить точность детектирования смещений мембраны (которая выполняет роль отражающего зеркала) при колебаниях. Для этого необходимо разработать мембрану, обладающую высокой чувствительностью и точностью воспроизведения звука.

Цель изобретения - повышение надежности и чувствительности оптического микрофона.

Поставленная цель достигается тем, что оптический микрофон состоит из корпуса, мембраны, закрепленной по его периметру, монохроматического источника света, фокусирующей линзы и фотоприемника, причем источник монохроматического излучения и фокусирующая линза установлены напротив первого конца волоконно-оптического световода, а фотоприемник расположен напротив второго конца волоконно-оптического световода, при этом мембрана выполнена гофрированной из тонкого слоя нитрида силикона толщиной 0,1 мкм, причем отражения света у нее происходят от центрального участка диаметром 0,4 мм, полученного с помощью нанесения золота фотолитографическим методом.

На Фиг.1 показан предлагаемый микрофон; на Фиг.2 - график зависимости луча от расстояния между мембраной и оптоволокном.

Оптический микрофон содержит монохроматический источник 1 света, фокусирующую линзу 2, размещенную напротив входа в волоконно-оптический световод 3, связанный с гофрированной мембраной 4, на которой установлено золоченое кольцо 5, а также фотоприемник 6, расположенный напротив выхода световода 3. Микрофон размещен в корпусе 7, имеющем отверстия, защищенные декоративной сеткой.

Световой пучок от источника 1 света фокусируется линзой 2 и направляется перпендикулярно торцу световода 3 на мембрану 4.

Под воздействием акустических колебаний мембрана 4 начинает изменять свою форму. При колебаниях мембраны, на которой находится золоченое кольцо 5 (активная область мембраны), световой поток модулируется и идет по второму оптоволокну на фотодиод 6, который преобразует сигнал в переменный ток.

Интенсивность модулированного светового луча зависит от геометрии отражающей мембраны, расстояния между концом оптоволокна 3 и поверхностью мембраны 4 и угловой позиции волокна относительно поверхности мембраны. Связь между интенсивностью отраженного светового луча и расстоянием от конца оптоволокна до поверхности мембраны показана на фиг.2. В пределах 30 мкм она растет относительно линейно, затем достигает максимума (в данном примере на расстоянии 50 мкм) и начинает спадать. Для сохранения линейности выбирается расстояние на первом участке порядка 35 мкм.

Относительно важную роль для интенсивности выходного луча играет также выбор углового положения оптоволокна относительно поверхности мембраны. При колебании мембраны происходит боковой сдвиг светового пятна относительно центра принимающего волокна, пропорционально величине этого сдвига уменьшается световая интенсивность в принимающем волокне. Для увеличения точности на оптоволокне от источника используется фокусирующая линза. Угловое расположение волокон (фиг.3) оптимизировано с помощью специальной программы типа ZEMAX.

Оптический лазер и фотодиод микрофона смонтированы на одной стеклянной плате, они отделены друг от друга непрозрачной перегородкой и покрыты сверху эпоксидной резиной. Размер лазера 0,2×2 мм, фотодиода - 0,5×5 мм, общий размер микрофона: диаметр - 0,5 мм, толщина - 1,5 мм.

Таким образом, по сравнению с аналогом и прототипом предложенная конструкция оптического микрофона обеспечивает высокую чувствительность и диапазонные свойства и вместе с тем не требует установки в корпусе дополнительных оптических или механических элементов, что повышает надежность его функционирования.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Оптический микрофон, состоящий из корпуса, мембраны, закрепленной по его периметру, монохроматического источника света, фокусирующей линзы и фотоприемника, причем источник монохроматического излучения и фокусирующая линза установлены напротив первого конца волоконно-оптического световода, а фотоприемник расположен напротив второго конца волоконно-оптического световода, отличающийся тем, что мембрана выполнена гофрированной из тонкого слоя нитрида силикона толщиной 0,1 мкм, при этом отражение света у нее происходит от центрального участка диаметр 0,4 мм, полученного с помощью нанесения золота фотолитографическим методом.

www.freepatent.ru


Смотрите также