ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ МИКРОФОН
ELECTRO-OPTICAL MICROPHONE

Изобретение относится к технике преобразования и усиления звуковых сигналов и может быть использовано в технических системах приема и обработки акустической информации.
Известны угольные микрофоны, в основе работы которых лежит свойство угольного порошка изменять электрическое сопротивление в зависимости от силы сжатия между собой угольных зерен. Достоинствами угольных микрофонов являются высокая чувствительность и простота конструкции, недостатками - высокий уровень собственных шумов, значительные частотные и нелинейные искажения, необходимость применения при пониженном питании микрофона, способствующем уменьшению его шумов и улучшению частотных характеристик, микрофонного усилителя, подверженного влиянию электромагнитных помех (В.М.Пестриков. Практическое использование современных радиоэлектронных схем и радиокомпонентов. - СПб.: КОРОНА принт, 2000. - 592 с.).
Известны электродинамические и электромагнитные микрофоны, в основе работы которых лежит эффект возникновения индукционного тока в замкнутом проводнике при его перемещении в магнитном поле или при изменении поля. Достоинствами таких микрофонов являются нечувствительность к влиянию ветра, толчкам, недостатками - невысокое качество звука и низкая чувствительность, что обусловливает необходимость их использования с трансформатором или микрофонным усилителем. Трансформатор вносит частотные и нелинейные искажения, подвержен влиянию электромагнитных помех и является источником наводок, создающих канал утечки информации и помехи для других электронных устройств.
К такому же типу относятся ленточные микрофоны, недостатками которых являются высокая чувствительность к порывам ветра, которые могут вызвать обрыв ленточки, а также подверженность влиянию резких перепадов давления и электромагнитных помех.
Известны конденсаторные и электретные конденсаторные микрофоны, обладающие наилучшими электроакустическими параметрами. Недостатками конденсаторных микрофонов являются необходимость использования микрофонного усилителя и согласующего каскада для подключения к нему, а также высокая стоимость, недостатком электретных конденсаторных микрофонов - чувствительность к механическим воздействиям, ограниченный диапазон условий эксплуатации (температуры воздуха, относительной влажности), а также необходимость использования при небольших габаритах микрофонов усилителя звуковой частоты.
Наиболее близкими по технической сущности к изобретению являются пьезоэлектрические микрофоны, принцип действия которых основан на явлении пьезоэлектрического эффекта. Микрофон состоит из мембраны, передающей колебания на пьезоэлектрическую пластину через стержень, в результате чего происходит деформация пьезоэлектрической пластины, а на ее обкладках появляется напряжение. Недостатками пьезоэлектрических микрофонов являются относительно невысокая чувствительность, низкая механическая прочность, гигроскопичность, значительная чувствительность к перепадам температуры окружающей среды. Кроме того, пьезоэлектрические микрофоны используются только с усилителем звуковой частоты, подверженным влиянию электромагнитных помех (В.М.Пестриков. Практическое использование современных радиоэлектронных схем и радиокомпонентов. - СПб.: КОРОНА принт, 2000, с.157).
Техническим результатом применения предлагаемого оптико-электронного микрофона является повышение чувствительности, помехозащищенности и надежности аппаратуры приема и усиления акустических сигналов.
Указанный технический результат достигается тем, что в пьезоэлектрическом микрофоне, содержащем мембрану и прикрепленный к ней стержень, дополнительно введены две обращенные друг к другу зеркальными поверхностями пластины, одна из которых соединена со стержнем, источник оптического излучения, направленный на зеркально отражающую поверхность одной из пластин, и фотоприемник.
Достижение технического результата обусловлено:
- возможностью обеспечения высокого отношения сигнал/шум на выходе усилителя пространственных колебаний оптического луча за счет его многократного отражения от колеблющейся зеркальной пластины;
- независимостью направления распространения оптического излучения от известных физических полей;
- невозможностью проникновения оптического излучения через непрозрачные материалы;
- отсутствием в составе микрофона элементов, чувствительных к механическим воздействиям.
Изобретение поясняется чертежом, на которой представлена схема расположения элементов оптико-электронного микрофона.
Оптико-электронный микрофон состоит из мембраны (1) с прикрепленным к ней с внутренней стороны стержнем (2), двух пластин (3), (4) с обращенными друг к другу зеркальными поверхностями, одна из которых (3) соединена со стержнем, источника оптического излучения (5), направленного на зеркально отражающую поверхность одной из пластин, и фотоприемника (6).
Фотоприемник предназначен для преобразования пространственных колебаний оптического луча в электрический сигнал. Указанное преобразование может быть реализовано при неполном перекрытии входного зрачка фотоприемника оптическим лучом, в результате чего пространственные колебания последнего приведут к изменению площади перекрытия и появлению на выходе фотоприемника соответствующего этим изменениям переменного электрического сигнала. Фотоприемник в данном случае выполняет функцию коррелятора, интегрируя поступающий на его вход поток излучения и формируя тем самым отклик на изменение пространственного положения оптического луча (Патент РФ на полезную модель №62319 "Оптический преобразователь").
Оптический луч (7), распространяясь между зеркальными пластинами (3) и (4) путем последовательного отражения от каждой из них, освещает входной зрачок фотоприемника (6). Колебания мембраны, возникающие под воздействием звуковых волн, через стержень передаются зеркальной пластине (3) и вызывают либо ее угловые колебания, как это показано на чертеже, либо колебания, осуществляемые посредством плоскопараллельного переноса пластины. В первом случае увеличение амплитуды отклонения оптического луча относительно фотоприемника при его распространении между зеркальными пластинами происходит за счет увеличения дальности между точкой первого отражения луча от пластины (3) и фотоприемником, а также за счет того, что при каждом отражении оптического луча от этой пластины изменяется его направление на величину 2Δα, где Δα - угол отклонения пластины (3). Во втором случае увеличение амплитуды пространственных колебаний оптического луча относительно фотоприемника происходит за счет сдвига точек его отражения от пластин, величина которого зависит от амплитуды колебаний пластины (3) и количества отражений от нее оптического луча.
Такой усилитель не содержит активных и пассивных радиоэлементов, поэтому полоса его пропускания практически неограниченна, а при высокой точности изготовления зеркальных поверхностей его нелинейные искажения будут незначительными. Кроме того, он не имеет предела устойчивости, поэтому при увеличении количества отражений оптического луча от зеркал (3) и (4) можно обеспечить высокий коэффициент усиления, не переходя в режим самовозбуждения.
Шумы на выходе фотоприемника складываются из шумов самого фотоприемника и квантовых шумов оптического излучения. Однако эти шумы не усиливаются вместе с полезным сигналом (пространственными колебаниями оптического луча), поэтому отношение сигнал/шум на выходе фотоприемника может быть увеличено до требуемого значения за счет повышения коэффициента усиления оптического усилителя. «Внутренним» шумом предлагаемого устройства, который может усиливаться вместе с полезным сигналом, являются колебания его неподвижных элементов (источника оптического излучения, зеркальной пластины (4) и фотоприемника) под воздействием внешних звуковых волн. Но при соответствующем конструктивном исполнении оптико-электронного микрофона (жесткое крепление перечисленных элементов к основанию корпуса, монолитное исполнение, использование для изготовления корпуса вязких материалов и так далее) их колебания будут несущественными по сравнению с колебаниями тонкой мембраны. Поэтому внутренними шумами предлагаемого оптико-электронного микрофона во многих случаях можно будет пренебречь.