(57)【要約】  レーザ源Ａと受光器Ｈとを備える電気音響変換器であって、音場Ｓが設けられ、音場Ｓが、レーザ・ビームが音場Ｓを通過するときにビームの伝搬速度を音圧に従って変調するのに使用されてよい電気音響変換器が提供される。
2009542128.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ源と受光器とを備える音響電気変換器であって、
音場が設けられ、それによりレーザ・ビームが前記音場を横断する間にその伝搬速度が音圧に従って変調されてよいことを特徴とする音響電気変換器。
【請求項２】
前記レーザ・ビームの伝搬速度の変化が、コヒーレントなレーザ・ビームとの干渉によって検出可能であり、前記第２のレーザ・ビームが、ほぼ等しく長い距離を移動するが、ハウジングによって入射音に対して保護され、好ましくは、前記ハウジングの開口が、大気との均圧を確実なものにすることを特徴とする、特に振動板のないマイクロホンである請求項１に記載の音響電気変換器。
【請求項３】
前記２つのレーザ・ビーム間の位相差が、λ／４＋λ／ｚに調整可能であり、ｚが整数であることを特徴とする請求項１および２の何れかに記載の音響電気変換器。
【請求項４】
前記２つのレーザ・ビームが、パルス・レーザ・ビームからビーム・スプリッタによって生じ、パルス周波数が可聴範囲より上であることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の音響電気変換器。
【請求項５】
前記２つのレーザ・ビームがそれぞれ２つの平行平面鏡の間で複数回前後に反射され、前記鏡対のうち一方とその空間とが、音にさらされ、他方のものが、前記音に対して保護されることを特徴とする、特に振動板のないマイクロホンである、請求項１ないし４の何れかに記載の音響電気変換器。
【請求項６】
干渉ビームのパルス光が光電照度計などの検出器上に当たって、電気信号に変換され、出力信号と雑音と干渉信号との比が、好ましくはロック・イン技術によって改善されることを特徴とする請求項１ないし５の何れかに記載の音響電気変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
１．発明の主題
本発明は、音響信号（雑音、音声および音楽）の電気信号への忠実な変換に関する。次いで、電気信号は、従来の方法により送信または格納されてよい。振動板などの可動部品の助けを必要とすることなく、音波を光に、次いで電気信号に直接変換するマイクロホンが導入される。
【０００２】
この目的のために、この新規なマイクロホンは、音波、より正確にはその圧力変動が、音場の媒体を横断するレーザ・ビームの光速度に及ぼす影響を使用する。光速度の変化Δｃは、音圧
【数１】
2009542128.tif 000003
に比例する。このわずかな変化Δｃが、干渉組立体［interference assembly］によって求められ、次いで、音圧に比例する電気信号に変換されてよい。これが、新規なマイクロホンの出力信号となる。
【背景技術】
【０００３】
２．従来技術
現在使用されているマイクロホン（音響変換器）では、音圧が振動板などの弾性部品を偏位させる。この偏位が、電気測定信号に変換される。
【０００４】
振動板の偏位がコイル内に電圧を誘起するダイナミック・マイクロホンが、非常に一般的である。今日、最も大きなダイナミクスは、振動板の偏位がコンデンサの容量の変化を引き起こすコンデンサ・マイクロホンで達成されている。最近より、振動板の偏位を測定するために光学的方法（例えば干渉または反射）が採用されたマイクロホンが、利用可能になっている。可動部分または偏位可能な部分（振動板、可動コイル、リボン、微粉炭）が常に関係する。
【０００５】
３．欠点
機械系には固有振動があり、機械系の偏位が制限され、それにより電気出力信号が部分的に誤って伝えられる。広い圧力範囲（可聴しきい値：２０μＰａ、痛覚しきい値：１００Ｐａ）、および広い周波数範囲（２０Ｈｚ〜２０ｋＨｚ）内でそのような影響を確実に補償することは困難である。
【０００６】
機械系は固体伝搬音および気流にも応答し、それにより干渉信号が生じることがある。
【０００７】
感度がよく、精密で低雑音のマイクロホンは通常、十分には小さくなく、したがって測定すべき音場を妨げる。
【０００８】
電気的測定システム（コンデンサ、可動コイル）では、電磁漂遊磁界が出力信号に影響を及ぼすことがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
４．目標
可動部分が必要ない、歪みのない音波を電気信号に変換する音響変換器が望ましい。この音響変換器は、全可聴周波数範囲内およびあらゆる音量レベルで動作すべきである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
５．解決策
媒体中の光速度は、
【数２】
2009542128.tif 000004
ｃ：真空中での光速度ｃ＝３×１０８ｍ／ｓ
ｎ：媒体の屈折率
である。
【００１１】
１５℃かつ０．１０１ＭＰａの圧力下での空気の屈折率は、０．２μｍの波長を有する光の場合には１．０００３２６であり、１μｍの波長を有する光の場合には１．０００２７４である。したがってこれは、真空中での屈折率１よりも、ＵＶ光の場合には３２６．１０−６だけ、ＩＲ光の場合には２７４．１０−６だけ大きい。
【００１２】
屈折率はまた、光の波長に応じてではあるが、
【数３】
2009542128.tif 000005
のように、圧力に伴って変化する。したがって、光速度（式１）も、
【数４】
2009542128.tif 000006
に従って変化する。
【００１３】
例えば、空気中の光速度は、気圧が１Ｐａ増加されると、０，９ｍ／ｓ減少する。
【００１４】
式３による光速度の変化が、音圧を求めるのに使用されてよい。光ビームのΔｃは、横断される音場中で、音圧
【数５】
2009542128.tif 000007
に比例する。
【００１５】
分割されたレーザ・ビームの両半分の干渉によって、このわずかな速度の変化Δｃが求められてよい。図１では、この設計が概略的に示されている。
【００１６】
鏡Ｂ上で分割した後で、一方のビームが音場Ｓ中を、長さＬ１の経路に沿って誘導される。他方のビームが、音絶縁ハウジングＧ中の長さＬ２の経路上を移動する。両方のビームが鏡Ｃの後ろで干渉する。検出器Ｈが、光の強度を求め、比例する電気信号をもたらしている。
【００１７】
どちらのビームも、２つの波動方程式
Ｅ１＝Ａｃｏｓ（ωｔ−Ｌ１ｋ１）  （４）
Ｅ２＝Ａｃｏｓ（ωｔ−Ｌ２ｋ２）  （５）
Ａ：振幅
ω：角周波数ω＝２πν、ν：光の周波数
Ｌ１：音場Ｓ内の鏡間の経路
Ｌ２：音絶縁ハウジングＧ内の経路
（注意：残りの光路は、等しい長さであると仮定される。したがってそれらは、計算に影響を及ぼさない）
ｋ１：音場内の波数
【数６】
2009542128.tif 000008
（注意：
【数７】
2009542128.tif 000009
が１に比べて非常に小さいので、初項より後は級数を打ち切ることが可能である）
ｋ２：絶縁されたハウジング内の波数
【数８】
2009542128.tif 000010
λ１およびλ２：波長
で説明される。
【００１８】
（Ｅ１＋Ｅ２）２に比例する光強度Ｉが、受光器［receiver］のところにある。
【００１９】
１光周期にわたる時間平均化により、時間依存性がなくなり、受光器での強度に関してＩは
Ｉ＝Ｉ０｛１−ｃｏｓ（Ｌ１ｋ１−Ｌ２ｋ２）｝
（８）
【数９】
2009542128.tif 000011
三角関数変換
【数１０】
2009542128.tif 000012
に従う。
【００２０】
位相差（Ｌ１−Ｌ２）により、
【数１１】
2009542128.tif 000013
を０〜２πの間の各値に設定することが可能であり、その場合、２πの倍数がそこに追加されてよい。したがって、値
【数１２】
2009542128.tif 000014
が選択される場合（ｚは整数）、余弦関数が消える。
【数１３】
2009542128.tif 000015
だけが残る。
【００２１】
ここで、波長λの場合の
【数１４】
2009542128.tif 000016
が、
【数１５】
2009542128.tif 000017
に取って代わる。
【００２２】
正弦関数の引数は１に比べて非常に小さいので、正弦関数はその引数に近似的に置き換えられてよい。
【００２３】
（受光器で測定される）強度の減少Ｉ０−Ｉは、
【数１６】
2009542128.tif 000018
となる。
【００２４】
これは光速度の変化Δｃ、および音場内の光路の長さＬ１に比例する。次に、式（３）により、これは音圧
【数１７】
2009542128.tif 000019
にも比例する。振動板のない提案されるマイクロホンの機能の基になるのは、音圧と受光器での強度の変化との、この比例関係である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
６．図面を参照して、本発明が、一例示的実施形態を用いてより詳細に説明される。
【００２６】
光の干渉を用いた、振動板のないマイクロホンのプロトタイプは、現在のところまだ利用可能ではない。しかし、その原理は、解決策５の項で説明されたのと同様に、図１による実験的なセット・アップを使用して検証され得る。高性能緑色レーザ・ポインタで形成されたレーザ・ダイオードが、放射源として働く。これは、周波数２倍化［frequency doubling］を有する、ダイオード励起ネオジウム−イットリウム−アルミニウム−ガーネット・レーザ（Ｎｄ：ＹＡＧレーザ）である。波長は５３２であり、出力パワーは最大５ｍＷである。
【００２７】
レーザは、ハウジングから取り除かれ、光学台に取付け部材を用いて取り付けられた。ビーム分割用に、いわゆるビームスプリッタ・キューブが利用されたが、これは、ビームスプリッタ・キューブの方が半透明鏡に比べてビームをより明確に分割する、すなわちビームスプリッタ・キューブはどんな二次反射も引き起こさないためである。さらに、可能な最高の反射率を達成するために、銀めっきされた鏡が使用されている。検出器は、既集積の前置増幅器を有することにより０，４Ａ／Ｗの出力信号をもたらす、フォトダイオードである［Newport Battery Biased Silicon Pin Detector］。検出器の出力信号が、デジタル・ストレージ・オシロスコープ［Tektronix TDS220］に供給される。
【００２８】
小型増幅器に接続されているＥｌａｃ（商標）スピーカが、音源として使用される。信号が関数発生器［KR-Lab Sweep Generator F 47］を通じて発生される。
【００２９】
例えば、音声発振器によって発生された、５００Ｈｚ、１ｋＨｚ、および２ｋＨｚを有する３つの正弦信号が、振動板のないマイクロホンによって測定され、オシロスコープ上に時間の関数として表示された。
【００３０】
７．本発明の利点
−驚くべきことに、実験的な形態の新規なマイクロホンを用いてさえ、可動部分（振動板）を用いずに、したがって機械的構造なしで、音響信号を電気信号に変換することが可能である。
−必要な開発の後に、マイクロホンは、小さく、堅牢かつ小型に製造されてよい。そうであれば、音場に対するマイクロホンの影響が小さくなるはずである。
−マイクロホンは光学的に動作しているので、電磁干渉場がほとんど影響を及ぼさない。
−本発明の原理は、空気以外の他の媒体を用いた音響測定に利用されてもよい。
−２つのレーザ・ビーム間の干渉法のおかげで、気圧の変化（天気、動作高度）が影響を及ぼさない。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】
【図１】
2009542128.tif 000020
【国際調査報告】
2009542128.tif 000021
2009542128.tif 000022
2009542128.tif 000023
2009542128.tif 000024
2009542128.tif 000025
2009542128.tif 000026