Способ акустических измерений и микрофон для его осуществления

 

Изобретения относятся к области акустических измерений. Способ акустических измерений основан на регистрации звукового давления посредством мембраны. Мембрану выполняют в виде тонкой прозрачной плоскопараллельной пластинки с тонким слоем, которую располагают наклонно между источником светового излучения и отражающим зеркалом, а регистрацию звукового давления осуществляют посредством системы интерференционных полос стоячей световой волны в виде сигнала пространственной частоты. Для осуществления заявленного способа предложен микрофон, содержащий мембрану, а также оптически сопряженные источник светового излучения, отражающее зеркало, выполненное частично пропускающим световое излучение, периодическую систему, содержащую фотоэлементы, расположенную позади упомянутого отражающего зеркала, и спектроанализатор. Мембрана выполнена в виде тонкой прозрачной плоскопараллельной пластинки с тонким слоем, расположенной наклонно между источником светового излучения и отражающим зеркалом под углом Θ, определяемым из соотношения sinΘ = λ/2d, где Θ - угол между тонким частично пропускающим слоем и волновым фронтом световой волны, λ - длина световой волны, d - период интерференционных полос. Предлагаемые способ акустических измерений и микрофон для его осуществления позволяют измерять с высокой чувствительностью объемные акустические сигналы и могут найти применение для получения различных цветомузыкальных эффектов. 2 с. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретения относятся к области акустических измерений.

Известен способ акустических измерений, основанный на регистрации звукового давления посредством электродинамического микрофона к мембране которого присоединяют звуковую катушку, выполненную с возможностью перемещения в области электромагнитного поля [Блинова Л.П., Колесников А.Е., Ланганс Л. Б. Акустические измерения. М.: Издательство стандартов, 1971, с.29-30].

К недостаткам данного способа следует отнести его восприимчивость к внешним магнитным полям, индуктирующим магнитную силу в катушке.

Известен способ акустических измерений, основанный на регистрации звукового давления посредством конденсаторного микрофона, мембрану которого выполняют в виде тонкой натянутой металлической обкладки конденсатора. При воздействии звукового давления мембрана прогибается, что приводит к изменению емкости конденсатора [Блинова Л. П., Колесников А.Е., Ланганс Л.Б. Акустические измерения. М. : Издательство стандартов, 1971, с.26-28 - прототип]. Данный способ характеризуется малым уровнем шума в широком диапазоне частот и хорошей стабильностью измерений при изменении температуры окружающей среды.

К недостаткам данного способа следует отнести недостаточно высокую чувствительность акустических измерений, линейно связанную с емкостью конденсатора, увеличение емкости которого приводит к увеличению постоянной времени микрофонного контура, что, в свою очередь, приводит к сужению измеряемого диапазона частот. Кроме того, данный способ не позволяет измерять объемный акустический сигнал.

Задачей изобретения является повышение чувствительности акустических измерений и измерение объемных акустических сигналов.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе акустических измерений, основанном на регистрации звукового давления посредством мембраны, упомянутую мембрану выполняют в виде тонкой прозрачной плоскопараллельной пластинки, на одну из поверхностей упомянутой пластинки наносят тонкий, частично пропускающий слой, рассеивающий или поглощающий энергию электрического поля стоячей световой волны толщиной не более λ/2, упомянутую пластинку с нанесенным на нее тонким, частично пропускающим слоем располагают между источником светового излучения и отражающим зеркалом под углом Θ, определяемым из соотношения sin Θ = λ/2d, где Θ - угол между тонким, частично пропускающим слоем и волновым фронтом световой волны, λ - длина световой волны, d - период интерференционных полос, система которых образуется в тонком, частично пропускающем слое при воздействии стоячей световой волны, а регистрацию звукового давления осуществляют посредством упомянутой системы интерференционных полос стоячей световой волны с периодом d в виде сигнала пространственной частоты путем проецирования изображения упомянутой системы на периодическую систему, содержащую фотоэлементы, полученные с упомянутых фотоэлементов электрические сигналы регистрируют в виде их зависимости от местоположения этих фотоэлементов в упомянутой периодической системе и анализируют.

При этом изображение упомянутой системы интерференционных полос проецируют на матричную периодическую систему, фотоэлементы упомянутой матричной периодической системы разделяют на линейные или матричные группы, при этом регистрацию упомянутой системы интерференционных полос в каждой выделенной группе фотоэлементов осуществляют в виде сигнала пространственной частоты за счет того, что полученные с упомянутых фотоэлементов электрические сигналы регистрируют в виде их зависимости от местоположения этих фотоэлементов в упомянутой линейной или матричной группе матричной периодической системы и анализируют.

Кроме того, в качестве источника светового излучения используют по меньшей мере два когерентных источника с разными длинами волн светового излучения.

Известен электродинамический микрофон, содержащий мембрану с присоединенной к ней звуковой катушкой, выполненной с возможностью перемещения в области электромагнитного поля [Блинова Л.П., Колесников А.Е., Ланганс Л.Б. Акустические измерения. М.: Издательство стандартов, 1971, с.29-30].

К недостаткам данного электродинамического микрофона следует отнести его восприимчивость к внешним магнитным полям, индуктирующим магнитную силу в катушке.

Известен конденсаторный микрофон, мембрана которого выполнена в виде тонкой натянутой металлической обкладки конденсатора. При воздействии звукового давления мембрана прогибается, что приводит к изменению емкости конденсатора [Блинова Л. П., Колесников А.Е., Ланганс Л.Б. Акустические измерения. М.: Издательство стандартов, 1971, с.26-28 - прототип]. Данный конденсаторный микрофон характеризуется малым уровнем шума в широком диапазоне частот и хорошей стабильностью измерений при изменении температуры окружающей среды.

К недостаткам данного конденсаторного микрофона следует отнести не достаточно высокую чувствительность акустических измерений, линейно связанную с емкостью конденсатора, увеличение емкости которого приводит к увеличению постоянной времени микрофонного контура, что, в свою очередь, приводит к сужению измеряемого диапазона частот. Кроме того, данный микрофон не обеспечивает измерение объемного акустического сигнала.

Задачей изобретения является повышение чувствительности акустических измерений и измерение объемных акустических сигналов.

Поставленная задача решается за счет того, что микрофон, содержащий мембрану, дополнительно содержит оптически сопряженные источник светового излучения, отражающее зеркало, выполненное частично пропускающим световое излучение, периодическую систему, содержащую фотоэлементы, расположенную позади упомянутого отражающего зеркала, и спектроанализатор, при этом упомянутая мембрана выполнена в виде тонкой прозрачной плоскопараллельной пластинки, на одну из поверхностей упомянутой пластинки нанесен тонкий, частично пропускающий слой, рассеивающий или поглощающий энергию электрического поля стоячей световой волны, толщиной не более λ/2, а упомянутая пластинка с нанесенным на нее тонким, частично пропускающим слоем расположена между источником светового излучения и отражающим зеркалом под углом Θ, определяемым из соотношения sin Θ = λ/2d, где Θ - угол между тонким, частично пропускающим слоем и волновым фронтом световой волны, λ - длина световой волны, d - период интерференционных полос, система которых образуется в тонком, частично пропускающем слое при воздействии стоячей световой волны.

Сущность изобретения поясняется чертежами (фиг.1 и 2) на которых представлены схема микрофона (фиг.1) и схема выделения матричных групп фотоэлементов в матричной периодической системе (фиг.2).

Микрофон, содержащий мембрану 1, дополнительно содержит оптически сопряженные источник 2 светового излучения, отражающее зеркало 3, выполненное частично пропускающим световое излучение, периодическую систему 4, содержащую фотоэлементы 5, расположенную позади отражающего зеркала 3, и спектроанализатор 6. При этом мембрана 1 выполнена в виде тонкой прозрачной плоскопараллельной пластинки 7, на одну из поверхностей пластинки 7 нанесен тонкий, частично пропускающий слой 8, рассеивающий или поглощающий энергию электрического поля стоячей световой волны, толщиной не более λ/2. Пластинка 7 с нанесенным на нее тонким, частично пропускающим слоем 8 расположена между источником 2 светового излучения и отражающим зеркалом 3 под углом Θ, определяемым из соотношения sin Θ = λ/2d, где Θ - угол между тонким, частично пропускающим слоем 8 и волновым фронтом световой волны, λ - длина световой волны, d - период интерференционных полос 9, система которых образуется в тонком частично пропускающем слое 8 при воздействии стоячей световой волны. Отражающее зеркало 3 выполнено с коэффициентом отражения 0,50-0,99 и коэффициентом пропускания 0,01-0,50. На периодическую систему 4, содержащую фотоэлементы 5, спроецировано изображение системы интерференционных полос 9. Периодическая система 4, содержащая фотоэлементы 5, выполнена в виде линейки или матрицы приборов с зарядовой связью. При выполнении периодической системы 4 с фотоэлементами 5 в виде матрицы приборов с зарядовой связью, фотоэлементы 5 матричной периодической системы 4 разделяют на линейные или матричные группы 10 (фиг.2). Регистрацию системы интерференционных полос 9 в каждой выделенной группе 10 фотоэлементов 5 осуществляют в виде сигнала пространственной частоты за счет того, что полученные с фотоэлементов 5 электрические сигналы регистрируют в виде их зависимости от местоположения этих фотоэлементов 5 в линейной или матричной группе 10 матричной периодической системы и анализируют.

В качестве источника 2 светового излучения используют три ("красный', "зеленый" и "голубой") полупроводниковых лазера 11, 12 и 13 соответственно с длинами волн λ_кр, λ_зел и λ_гол светового излучения, расположенных практически на одной оптической оси (фиг.1). Между источником 2 светового излучения и пластинкой 7 расположена коллиматорная линза 14. Тонкую прозрачную плоскопараллельную пластинку 7 выполняют из стекла, кварца или органического стекла. Ее толщину выбирают в диапазоне 1-0,01 мм. Тонкая прозрачная плоскопараллельная пластинка 7, тонкий, частично пропускающий слой 8, отражающее зеркало 3, выполненное частично пропускающим световое излучение, и периодическая система 4 с фотоэлементами 5 размещены в корпусе 15. Источники 16 и 17 звуковых волн могут иметь разную направленность к плоскости плоскопараллельной пластинки 7. На фиг.1 изображена система интерференционных полос 9 которая образуется в тонком, частично пропускающем слое 8 при воздействии стоячей световой волны от одного полупроводникового лазера 12.

Заявленный способ акустических измерений осуществляется на настоящем микрофоне следующим образом.

Световой поток от источника 2 светового излучения поступает на отражающее зеркало 3, отражается от него и в виде стоячей световой волны поступает на тонкий, частично пропускающий слой 8. За счет того, что тонкий, частично пропускающий слой 8 рассеивает или поглощает энергию электрического поля стоячей световой волны, и расположен наклонно, в нем образуется система интерференционных полос 9 регистрацию которой можно осуществить в виде сигнала пространственной частоты с периодом следования d. При этом период следования d задан из соотношения: sin Θ = λ/2d, где Θ - угол между плоскостью тонкого частично пропускающего слоя 8 и волновым фронтом световой волны, λ - длина световой волны. Регистрацию звукового давления от источников 16 и 17 звуковых волн осуществляют посредством системы интерференционных полос 9 период d которых изменяется при воздействии звукового давления, так как тонкая пластинка 7 со слоем 8 прогибается как мембрана 1, что приводит к изменению угла Θ. Далее осуществляют регистрацию системы интерференционных полос 9 с измененным периодом d в виде сигнала пространственной частоты путем проецирования изображения упомянутой системы на периодическую систему 4 с фотоэлементами 5, полученные с фотоэлементов 5 электрические сигналы регистрируют в виде их зависимости от местоположения этих фотоэлементов 5 в периодической системе 4 и анализируют на спектроанализаторе 6.

Регистрация объемного звукового сигнала осуществляется следующим образом. При разделении матричной периодической системы 4 на линейные или матричные группы 10 регистрацию звукового давления от источников 16 и 17 звуковых волн осуществляют раздельно на каждой линейной или матричной группе 10. За счет того, что каждый из источников 16 и 17 звуковых волн оказывает различное звуковое давление на различные участки тонкой пластинки 7 со слоем 8, эти участки прогибаются как фрагменты мембраны 1 под разными углами Θ и в каждой линейной или матричной группе 10 осуществляется регистрация системы интерференционных полос 9 с разным периодом d в виде сигнала пространственной частоты.

Использование в качестве источника светового излучения трех полупроводниковых лазеров 11, 12 и 13 обеспечивает расширение линейного диапазона акустических измерений, так как при одном и том же изменении угла Θ какого-либо фрагмента диафрагмы 1 имеет место различное изменение периода d для различных длин волн λ_кр, λ_зел и λ_гол светового излучения. При этом наибольшая чувствительность заявленного способа акустических измерений достигается при использовании лазера с наименьшей длиной волны.

Предлагаемые способ акустических измерений и микрофон для его осуществления позволяют измерять с высокой чувствительностью объемные акустические сигналы и могут найти применение, например, для получения различных цветомузыкальных эффектов.

Формула изобретения

1. Способ акустических измерений, основанный на регистрации звукового давления посредством мембраны, отличающийся тем, что упомянутую мембрану выполняют в виде тонкой прозрачной плоскопараллельной пластинки, на одну из поверхностей упомянутой пластинки наносят тонкий частично пропускающий слой, рассеивающий или поглощающий энергию электрического поля стоячей световой волны толщиной не более λ/2, которая прогибается при воздействии давления, упомянутую пластинку с нанесенным на нее тонким частично пропускающим слоем располагают между источником светового излучения и отражающим зеркалом под углом Θ, определяемым из соотношения sin Θ=λ/2d, где Θ – угол между тонким частично пропускающим слоем и волновым фронтом световой волны, λ – длина световой волны, d – период интерференционных полос, система которых образуется в тонком частично пропускающем слое при воздействии стоячей световой волны, а регистрацию звукового давления осуществляют посредством регистрации упомянутой системы интерференционных полос стоячей световой волны, период d которых изменяется при воздействии звукового давления, путем проецирования упомянутой системы на периодическую систему, содержащую фотоэлементы, полученные с упомянутых фотоэлементов электрические сигналы регистрируют в виде их зависимости от местоположения этих фотоэлементов в упомянутой периодической системе и анализируют.

2. Способ акустических измерений по п.1, отличающийся тем, что изображение упомянутой системы интерференционных полос проецируют на матричную периодическую систему, фотоэлементы упомянутой матричной периодической системы разделяют на линейные или матричные группы, при этом регистрацию упомянутой системы интерференционных полос в каждой выделенной группе фотоэлементов осуществляют в виде сигнала пространственной частоты за счет того, что полученные с упомянутых фотоэлементов электрические сигналы регистрируют в виде их зависимости от местоположения этих фотоэлементов в упомянутой линейной или матричной группе матричной периодической системы и анализируют.

3. Способ акустических измерений по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве источника светового излучения используют по меньшей мере два когерентных источника с разными длинами волн светового излучения.

4. Микрофон, содержащий мембрану, отличающийся тем, что он дополнительно содержит оптически сопряженные источник светового излучения, отражающее зеркало, выполненное частично пропускающим световое излучение, периодическую систему, содержащую фотоэлементы, расположенную позади упомянутого отражающего зеркала, и спектроанализатор, при этом упомянутая мембрана выполнена в виде тонкой прозрачной плоскопараллельной пластинки, которая прогибается при воздействии давления, на одну из поверхностей упомянутой пластинки нанесен тонкий частично пропускающий слой, рассеивающий или поглощающий энергию электрического поля стоячей световой волны толщиной не более λ/2, а упомянутая пластинка с нанесенным на нее тонким частично пропускающим слоем расположена между источником светового излучения и отражающим зеркалом под углом Θ, определяемым из соотношения sinΘ=λ/2d, где Θ – угол между тонким частично пропускающим слоем и волновым фронтом световой волны, λ – длина световой волны, d – период интерференционных полос, система которых образуется в тонком частично пропускающем слое при воздействии стоячей световой волны.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2