ОПТИЧЕСКИЙ МИКРОФОН
OPTICAL MICROPHONE

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.