Устройство фотоэлектронного преобразования акустических колебаний в электрический сигнал

 

Использование: для высококачественной записи акустических сигналов в цифровой и аналоговой форме. Сущность изобретения: устройство содержит диафрагму и последовательно оптически сопряженные источник света, световод и фотоприемник, синхрогенератор, N-элементов И, преобразователь параллельного кода в последовательный. Фотоприемник выполнен в виде матрицы из N фотоэлементов. Фотоэлементы расположены параллельно выходному торцу световода в одной плоскости. Входы каждого элемента И связаны с выходом синхрогенератора и соответствующим фотоэлементом. Входы преобразователя параллельного кода в последовательный соединены с выходами элементов И и выходом синхрогенератора. Световод соединен с диафрагмой. 1 ил.

Изобретение относится к области акустики и оптоэлектроники и может быть использовано в промышленности и быту для высококачественной записи акустических сигналов в цифровой и аналоговой форме.

Известны полупроводниковые (транзисторные), пьезоэлектрические, электретные, конденсаторные, электродинамические, электромагнитные, угольные. Микрофоны состоят из двух систем: акустико-механической и механоэлектрической. Акустико-механическая система делится на способы передачи давления на диафрагму: а микрофоны давления давление на одну сторону и микрофон градиента давления на обе стороны.

Известны также: микрофон, состоящий из двух цилиндров и устройства для натяжения мембраны; блок мембраны конденсаторного микрофона, состоящий из мембраны, удерживаемой между кольцами и другие микрофоны и электроакустические преобразователи.

Известные акустические аппараты имеют общее процесс преобразования звуковых и механических колебаний в электрические, т.е. существует два типа преобразователей: с магнитным полем электромагнитные, электродинамические, магнитострикционные; с электрическим полем электростатические, конденсаторные и формально сходные пьезоэлектрические.

Указанные устройства используют преобразование акустических колебаний в сигнал с модуляцией по амплитуде, частоте и др. т.е. в аналоговый сигнал, который и записывается или идет на обработку.

Недостатки аналоговой записи: недостаточный динамический диапазон; повышенные нелинейные искажения, детонация и модуляционные шумы; увеличение всех видов искажений при перезаписи; нестабильность частотных характеристик; большой уровень перекрестных помех.

копир-эффект.

Цифровая запись лишена этих недостатков (Цифровые звуковые микрофоны. М. Радио и связь, 1989), так как использует квантование сигнала и для этого производится аналого-цифровое преобразование, т.е. аналоговый сигнал преобразуют в АЦП (аналого-цифровой преобразователь), а перед этим для фильтрации используют фильтры низкой частоты, далее необходимо устройство выборки и хранения. Таким образом, отсутствует прямое преобразование акустического сигнала в цифровую форму, что приводит к значительным искажениям первоначального сигнала, к громоздкой и дорогостоящей обработке сигнала.

В качестве прототипа выбран известный способ передачи акустических колебаний диафрагме в виде ленточки и устройство электродинамический микрофон ленточного типа (Дрезен М. Электроакустическое и звуковое вещание. Радио и связь, 1981). Ленточка в определенной степени воспроизводит скорость движения частичек воздуха в звуковом поле.

Этот способ не позволяет получить сигнал в цифровой форме и для его преобразования необходимы дополнительные устройства преобразования, ухудшающие качество сигнала.

Цель изобретения повышение качества записи акустических колебаний в цифровой форме и их воспроизведения.

Для осуществления поставленной цели акустические колебания преобразуются в колебании световода, по которому распространяется излучение. Угол отклонения колебаний излучающей апертуры световода преобразуется в положение ее проекции на плоскость. Регистрируются координаты положения проекции на плоскости, которые и преобразуются в цифровой сигнал.

Устройство отличается от прототипа тем, что введены: световод, источник излучения, N-элементный фотоприемник, синхрогенератор, N ячеек И, преобразователь параллельного кода в последовательный. Диафрагма соединена со световодом, через излучающую апертуру которого источник излучения связан световой связью с фотоприемниками. Каждый из N фотоприемников соединен с ячейкой И, соединенной с синхрогенератором и преобразователем параллельного кода в последовательный.

На чертеже показано предлагаемое устройство.

Устройство работает следующим образом.

Акустические колебания 10, попадают на диафрагму 1 и передаются световоду 2, входная апертура которого соединена с источником 3 излучения. Выходная излучающая апертура 4 световода совершает колебания 11 под воздействием акустических колебаний 10, передающихся световоду 2 через диафрагму 1. Далее излучающая апертура 4 проецирует свое изображение 9 на N-элементный фотоприемник 5 (представляющий из себя матрицу фотоприемников, имеющую различное исполнение в зависимости от назначения микрофона (узконаправленный, широконаправленный и т. д.). Каждый фотоприемник преобразует падающее излучение в электрический сигнал, поступающий на ячейку И из N 7. Далее синхронизатор 6 с заданной тактовой частотой производит опрос ячеек И 7 и производит параллельный сброс информации со всех N ячеек И 7 в преобразователь 8 параллельного кода в последовательный. Далее последовательный код 12 поступает к потребителю (на запись, звукоусилительную аппаратуру и т.д).

Акустические колебания передаются диафрагме, которая преобразует их в колебания световода, а световод проецирует излучение на фотоприемник. Диаметр пятна фокусировки может достигать порядка длины волны при монохроматическом источнике излучения. Этот размер может определять предельную чувствительность способа, когда дискретность расположения фотоприемников подбирается пропорционально этому размеру. Т.е. возникновение смещения световода, соизмеримое с диаметром проекции (светового пятна) излучающей апертуры, приводит к переходу проекции на соседний фотоприемник и к возникновению сигнала в соответствующем разряде кода. Предельные воспринимаемые частоты (низкие и высокие) акустических колебаний определяются конструкцией световода и частотой опроса фотоприемников (синхрогенератор). Можно создавать очень узконаправленную диаграмму приема за счет сужения размеров фотоприемника фактически при ширине фотоприемника в линейке, соответствующей размеру сфокусированного пятна, можно получить абсолютно узкую направленность до сотых долей градуса, когда фиксируется акустическая волна, пришедшая строго по нормали. Можно сделать и стереомикрофон, когда используется две узкиe линейки фотоприемников. Таким образом, открывается возможность создания целой гаммы цифровых приборов на оптоэлектронной основе.

Новый вид электроники цифровая звукозапись позволяет получить высококачественное воспроизведение звука. Обычно применяющиеся микрофоны для использования в цифровой записи требуют дополнительных электронно-цифровых устройств преобразующих аналоговый сигнал в цифровой. При этом вносятся искажения и значительно усложняется и удорожается аппаратура. При цифровой записи необходимо обеспечить широкую полосу частот, одно значение сигнала с импульсно-кодовой модуляцией занимает 16-18 разрядов, что за секунду при частоте посылок f 48 кГц составляет таких сигналов 48000, а для двухканальной стереозаписи скорость передачи данных достигает: V 2˙ 16˙ 48000 1,54 мбит/с.

При использовании помехоустойчивого кода получается до 2,5 мбит/с. Эти цифры показывают, что запись должна происходить с высокой плотностью. Динамический диапазон преобразования (в дб) зависит от числа разрядов аналого-цифрового преобразователя (АЦП) или ЦАП и определяется выражением Д 6n + 1,8; где n число двоичных разрядов. Обычно используются 16 разрядов, тогда 98 дБ, а при 18 разрядах динамический диапазон поднимается до 110 дБ. Использование данного способа позволит увеличивать диапазон практически до любого значения, все будет зависеть от числа фотоприемников в матрице. В существующих системах частота дискретизации примерно в 2 раза выше максимальной частоты аналогового сигнала, т. е. при 20 кГц звукового сигнала частота дискретизации 40 кГц. При уменьшении частоты происходит наложение спектра сигнала и помехи.

Таким образом, использование заявляемого устройства позволит качественно улучшить характеристики звукозаписи.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ФОТОЭЛЕКТРОННОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ АКУСТИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ СИГНАЛ, содержащее диафрагму и последовательно оптически сопряженные источник света, световод и фотоприемник, причем световод соединен с диафрагмой, отличающееся тем, что в него введены синхрогенератор, N элементов И, преобразователь параллельного кода в последовательный, а фотоприменик выполнен в виде матрицы из N фотоэлементов, причем фотоэлементы расположены параллельно выходному торцу световода в одной плоскости, входы каждого из элементов И связаны с выходом синхрогенератора и соответствующим фотоэлементом, а входы преобразователя параллельного кода в последовательный соединены с выходами элементов И и выходом синхрогенератора.

РИСУНКИ

Рисунок 1