电声换能器.pdf

一种声电换能器，包括激光源A以及光接收器H，其中，提供声场S，由此能够在激光束穿过声场S的同时根据声压来调节激光束的传播速度。

1、  一种声电换能器，包括激光源以及光接收器，其中，
提供声场，由此能够在激光束穿过声场的同时根据声压来调节激光束的传播速度。

2、  根据权利要求1所述的声电换能器，特别地为无膜片麦克风，其中，
所述激光束的传播速度的变化能够通过与相干激光束的干涉来检测，其中第二个激光束传播大约相等长的距离，然而，外壳保护激光束免受入射声影响，其中优选地，外壳的开口确保了与大气压的压强均衡。

3、  根据权利要求1和2所述的声电换能器，其中，
能够将两个激光束之间的相位差调整至λ/4+λ/z，其中z是整数。

4、  根据权利要求1至3所述的声电换能器，其中，
两个激光束来源于由分束器分离的脉冲激光束，其中脉冲频率处于可听范围以上。

5、  根据权利要求1至4所述的声电换能器，特别地为无膜片麦克风，其中，
将两个激光束均在两个平面平行反射镜之间各来回反射多次，其中将反射镜对中的一个及其间隙暴露给声，然而保护另一个免受声影响。

6、  根据权利要求1至5所述的声电换能器，其中，
干涉束的脉冲光落在诸如光电接收器之类的检测器上，并且将所述脉冲光转换成电信号，其中优选地，利用锁定技术改进输出信号与噪声和干扰信号之比。

电声换能器
技术领域
本发明涉及声信号(噪声、语音以及音乐)向电信号的可靠转换。然后可以利用传统的方法来传输或存储电信号。引入了麦克风，所述麦克风将声波直接转换成光信号，然后转换成电信号，而不需要诸如膜片之类的可移动部件的帮助。
为此，新的麦克风利用声波对穿过声场介质的激光束的光速的影响，更准确地说，利用声波的压强波动对该光速的影响。光速的变化Δc与声压成正比。可以利用干涉组件来确定这样的小变化Δc，然后将这样的小变化Δc转换成与声压成正比的电信号。这是新麦克风的输出信号。
背景技术
采用当前使用的麦克风(声换能器)，声压使诸如膜片之类的弹性部件弯曲(deflect)。将这种弯曲转换成电测量信号。
电动传声器(dynamic microphone)是非常受欢迎的，其中膜片的弯曲引起了线圈内的电压。目前，采用电容器麦克风来实现最大的动力，其中膜片的弯曲引起电容器电容的变化。近来，存在许多可用的麦克风，其中采用光学方法(例如，干涉或反射)来测量膜片弯曲。总是包含可移动或可弯曲的部分(膜片、动圈、带状电缆(ribbon)、粉煤)。
机械系统具有固有振动，并且机械系统的弯曲是有限的，由此，电输出信号有部分是错误的。在大压强范围(听阈(audibilitythreshold)：20μPa，痛阈：100Pa)内以及在宽频率范围(20Hz至20kHz)内，难以可靠地补偿这样的影响。
机械系统还响应于结构声(structure-borne sound)以及空气流动，这可以导致干扰信号。
灵敏的、精确的且低噪声的麦克风通常不够小，因此与将要测量的声场发生干扰。
在电测量系统(电容器、动圈)中，电磁杂散场可能影响输出信号。
发明内容
目的
所期望的是一种将无失真声波转换成电信号的声换能器，其中不需要可移动部分。所述声换能器应该工作在整个声频范围内以及所有响度级。
解决方案
介质中的光速是：
c M = c n - - - ( 1 ) ]]>
c：真空中的光速c＝3.10⁸ms；
n：介质的折射率。
在15℃处并且在0.101MPa的压强下，空气的折射率对于波长为0.2μm的光是1.000326，对于波长为1μm的光是1.000274。因此，对于紫外线而言，空气的折射率比真空中的折射率1大326.10^-6，对于红外线而言，空气的折射率比真空中的折射率1大274.10^-6。
折射率还随压强而改变，如：
dn dp = 0,3 · 10 - 3 10 5 Pa = 3 · 10 - 9 1 Pa - - - ( 2 ) ]]>
但取决于光波长。因此，光速(方程1)还根据以下方程改变：
Δc M = - c n 2 dn dp Δp - - - ( 3 ) ]]>
例如，当气压升高1Pa时，空气中的光速减小0.9m/s。
根据方程3的、光速的变化可以用于确定声压。在所穿过的声场中，光束的Δc与声压成正比。
通过这两半分离的激光束的干涉，可以确定速度的这个小变化Δc。在图1中，示意性地示出了该设计。
在反射镜B上分离之后，一束沿着长度L₁的路径传播穿过声场S。另一束通过隔声的外壳G在长度L₂的路径上传播。这两个光束在反射镜C后面进行干涉。检测器H确定光强度并且给出成正比的电信号。
利用2个波方程来描述这两个光束：
E₁＝Acos(ωt-L₁k₁)   (4)
E₂＝Acos(ωt-L₂k₂)   (5)
A：幅度
ω：角频率ω＝2πν；v：光的频率
L₁：声场S内反射镜之间的路径
L₂：隔声外壳G内的路径(注意：假设剩余的光路径长度相等。从而它们对计算不造成影响。)
k₁：声场中的波数 k 1 = 2 π λ 1 = ω c M + Δc = ω c M ( 1 - Δc c M ) - - - ( 6 ) ]]>
(注意：允许在首项之后中断级数(progression)，这是因为与1相比是非常小的)
k₂：绝缘外壳中的波数 k 2 = 2 π λ 2 = ω c M - - - ( 7 ) ]]>
λ₁和λ₂：波长。
在接收器处存在与(E₁+E₂)²成正比的光强度I。
由于在一个光周期上的时间平均使得与时间不相关，接收器处的强度遵循以下方程：
I＝I₀{1-cos(L₁k₁-L₂k₂)}   (8)
I = I 0 - I 0 cos { ω c M ( L 1 - L 2 ) - ω c M Δc c M L 1 } - - - ( 9 ) ]]>
三角转换：
I = I 0 - I 0 { cos ω c M ( L 1 - L 2 ) cos ω c M L 1 Δc c M } - I 0 { sin ω c M ( L 1 - L 2 ) sin ω c M L 1 Δc c M } - - - ( 10 ) ]]>
经由相位差(L₁-L₂)，可以将设置成0至2π之间的每个值，其中可以将所述值加上2π的倍数。如果因此而选择了值 ( L 1 - L 2 ) = c M ω ( π 2 + z 2 π ) ]]>(z是整数)，则余弦函数消失。仅保留
I = I 0 - I 0 sin { 2 π L 1 λ Δc c M } - - - ( 11 ) ]]>
这里，具有波长λ的代替
因为正弦函数的辐角与1相比非常小，所以可以将该正弦函数近似地替换成它的辐角。
(在接收器处测量的)强度的减小量I₀-I是：
I 0 - I = I 0 2 π L 1 λ Δc c M - - - ( 12 ) ]]>
强度的减小量与光速的变化Δc成正比，并且与声场中光路径的长度L₁成正比。由方程(3)，强度的减小量还与声压成正比。所提出的无膜片麦克风的功能所依据的是：声压与接收器处的强度变化之间的这种比例。
附图说明
参考附图，将通过一个示例实施例来更详细地说明本发明。
图1中示意性地示出了如下设计：通过两半分离的激光束的干涉确定速度的小变化Δc。
具体实施方式
目前，利用光干涉的无膜片麦克风的原型尚不可用。然而，利用根据图1进行的实验，可以验证如发明内容中描述的原理。由高精确度绿色激光指示器制成的激光二极管用作辐射源。它是具有倍频的、激光二极管抽运(pump)的钕钇铝石榴石激光器(neodymium-yttrium-aluminum-garnet laser)(Nd：YAG激光器)。波长是532，输出功率是最大值5mW。
将激光器从外壳移除，并且利用固定构件(fixture member)将激光器附到光具座。为了分束，采用所谓的分束立方器(beamsplittercube)，这是因为与半透明的反射镜相比，分束立方器提供了对光束的更清楚的分离，即，分束立方器不引起任何二次反射。此外，使用镀银的反射镜来实现最大的可能反射率。检测器是具有已集成的前置放大器的光电二极管，其提供0，4A/W的输出信号(Newport电池偏置的硅PIN检测器(Newport Battery Biased Silicon Pin Detector))。将检测器的输出信号提供给数字存储示波器(Tektronix TDS220)。
与小放大器连接的Elac^TM扬声器用作声源。通过函数信号发生器(function generator)(KR-Lab扫频信号发生器F47)产生信号。
例如，利用无膜片麦克风对500Hz、1kHz以及2kHz的音频发生器产生的三个正弦信号进行测量，并且在示波器上将所述三个正弦信号显示为时间的函数。
本发明的优点
- 不寻常地，甚至可以采用新麦克风的实验形式，在没有移动部分(膜片)的帮助的情况下，从而没有机械的帮助的情况下，将声信号转换成电信号。
- 在所需的开发之后，可以将麦克风制造得尺寸小、外形坚固且结构紧致。那么麦克风对声场的影响将会较小。
- 因为麦克风以光学进行操作，所以电磁干扰场几乎没有产生影响。
- 本发明的原理还可以用于采用除空气以外的其它介质所进行的声测量。
- 由于两个激光束之间的干涉方法，使得气压(天气、工作高度)的变化没有产生影响。