Autor: Piotr Gołębiewski
semestr 8

Mikrofon optyczny
firmy Sennheiser

Streszczenie:

Praca przedstawia nowy typ mikrofonu, który został zaprezentowany na wystawie towarzyszącej Konferencji AES przez firmę Sennheiser. Jest to mikrofon optyczny. Przedstawiono jego zasadę działania, zalety oraz zastosowania.

Zasada działania

Zasadę działania mikrofonu optycznego firmy Sennheiser przedstawia rysunek 1.Światło emitowane przez diodę świecącą poprzez światłowód nadawczy (na rysunku: Sende-LWL)skierowane jest na odbijającą membranę. Następnie część światła odbitego wpada do światłowodu odbiorczego (Empfangs-LWL). Gdy membrana znajduje się w położeniu spoczynkowym (rys. 1a), światło odbite pokrywa około połowę światłowodu odbiorczego. Odkształcenie membrany przez falę dźwiękową powoduje przesunięcie promienia odbitego. W ten sposób do światłowodu odbiorczego dostaje się mniej lub więcej światła. Światłowód odbiorczy zakończony jest fotodiodą, która przekształca zmiany jasności w sygnały elektryczne.

Zalety

Optyczna zasada działania oferuje wiele zalet:

• Przekształcenie sygnału akustycznego w sygnał elektryczny następuje w w dwóch fazach. Najpierw sygnał akustyczny zostaje przekształcony w sygnał świetlny o zmiennym natężeniu. Następnie w fotodetektorze następuje przekształcenie światła w sygnał elektryczny.
• Główka mikrofonu, źródło światła i fotodetektor mogą być od siebie oddalone. Przy użyciu światłowodu kilkaset metrów odległości światło może pokonać bez straty jakości.
• Optyczna zasada działania jest całkowicie niewrażliwa na zakłócenia elektryczne i magnetyczne i dzięki temu umozliwia wyjątkowo odporną na zakłócenia transmisję sygnałów.
• Mikrofon optyczny nie potrzebuje elektrycznych przewodów doprowadzających. Dzięki temu nie istnieją wzajemne oddziaływania elektromagnetyczne.
• Główka mikrofonu i światłowód niewrażliwe na wilgotność.
• Główka mikrofonu może mieć bardzo małe wymiary.

W szczególności w mikrofonach opartych na innych zasadach działania nie może być zrealizowane oddzielenie czujnika akustycznego (główka mikrofonu) od części odpowiedzialnej za przekształcenie w sygnał elektryczny. Odnosi się to również do odporności na zakłócenia elektromagnetyczne. Ponadto wykluczone jest niebezpieczeństwo iskrzenia.

Realizacja

Przy realizacji mikrofonu optycznego należy wziąć pod uwagę, że światło nie wydostaje się ze światłowodu nadawczego równolegle, lecz rozchodzi się we wszystkich kierunkach. Wskutek dywergencji wyświetlana plamka światła ma większy przekrój niż przekrój poprzeczny światłowodu odbiorczego. Z tego powodu sygnał optyczny ulega osłabieniu. Aby zminimalizować wpływ dywergencji, odległość pokonywana przez światło w główce mikrofonu musi być możliwie mała. Światłowody muszą być zbliżone do siebie na tyle, aby się stykały ze sobą zaś membrana musi znajdować się możliwie blisko nich.

Aby uzyskać dużą czułość przetwarzania, kąt pomiędzy światłowodami musi być możliwie duży. Bieg promienia będzie wtedy bardziej płaski i utworzy większe przesunięcie boczne promienia odbitego. Wprawdzie dla dużych kątów membrana nie może zbliżyć się wystarczająco blisko do światłowodów, ponieważ przeszkadzją jej w tym ich krawędzie. Rozwiązanie tego problemu umożliwia układ opatentowany przez izraelską firmę Phone-Or, które jest stosowane również przez firmę Sennheiser (rys. 2). Światłowody są zeszlifowane w ten sposób, że ich krawędzie leżą w jednej płaszczyźnie. Dzięki temu osiągnięto następujące korzyści:

• Załamanie światła powstające przy przejściu światła ze światłowodu do powietrza i z powrotem powoduje bardziej płaskie padanie promienia na membranę a w konsekwencji wyższą efektywność przetwarzania.
• Efektywność przetwarzania może być dodatkowo zwiększona, jeżeli dostępny jest bardziej stromy zakres krzywej przenoszenia.

Właściwości

Membrana ma średnicę 1,5 mm, główka mikrofonu 4,2 mm i 15,2 mm długości.

Na rysunku 3 pokazano charakterystykę częstotliwościową mikrofonu.

Na rysunku 4 przedstawiono krzywą przenoszenia udoskonalonego mikrofonu. Przedstawia natężenie światła wpadającego do światłowodu odbiorczego w zależności od odległości pomiędzy membraną a końcówkami światłowodów. Maksimum krzywej występuje, gdy promień odbity w całości pokrywa światłowód odbiorczy. Przy większych lub mniejszych wychyleniach membrany natężenie światła maleje. Przy odpowiednim dobraniu wymiarów główki mikrofonu można uzyskać krzywą o względnie płaskim przebiegu, co umożliwia liniowe przekształcenie wychyleń membrany na zmiany natężenia światła.

W porównaniu z mikrofonem pojemnościowym mikrofon optyczny wykazuje kilka zalet, które mogą być z korzyścią zastosowane:

• Na membranę nie oddziaływują żadne siły elektrostatyczne. Dzięki temu nie ma problemów ze stabilnością elektromechaniczną. Podatność membrany może być znacząco większa niż przy przetwarzaniu pojemnościowym. Dzięki temu możliwe jest zwiększenie efektywności przetwarzania.
• Możliwe jest częściowe pokrycie membrany materiałem odbijającym, przez co zmniejszeniu ulega jej masa.

Niezależnie od przyjętej zasady działania mikrofony powinny ogólnie charakteryzować się możliwie dużą czułością, aby można było osiągnąć zadowalający stosunek sygnał/szum. Dodatkowo wymagana jest wysoka podatność (elastyczność) membrany. Ponadto w mikrofonie optycznym możliwe jest osiągnięcie większej podatności membrany niż w mikrofonie pojemnościowym, jednak należy zwrócić uwagę na to, że częstotliwość rezonansowa systemu akustycznego może być obniżana tylko do momentu, w którym właściwe przenoszenie wysokich częstotliwości zostaje naruszone. Dlatego też masa membrany musi być odpowiednio zmniejszona, na przykład poprzez zastosowanie bardzo cienkiej folii na membranę i częściowe pokrycie materiałem odblaskującym.

Źródła światła

Obecnie stosunek sygnał/szum mikrofonów optycznych jest nieznacznie mniejszy niż dla mikrofonów pojemnościowych. W związku z tym, że rośnie on ze wzrostem natężenia światła emitowanego przez źródło, korzystne byłoby zastosowanie silniejszych i bardziej efektywnych źródeł światła. Dostępne diody świecące wykazują się wprawdzie względnie wysoką sprawnością, ale z powodu szerokiego kąta promieniowania wnikanie światła do światłowodu nawet przy zastosowaniu soczewek nie jest zbyt efektywne.

Diody laserowe mają wyższą sprawność i bardzo kierunkowe promieniowanie, co umożliwia dobre wnikanie światła w światłowód. Jednak koherencja emitowanego światła powoduje powstanie plamistej struktury, która w przypadku mikrofonu optycznego prowadzi do powstania szumów i zniekształceń sygnału. Rozwiązaniem tego problemu byłoby użycie diod laserowych, które wytwarzają światło o małej koherencji. Z tego powodu kolejne ulepszenia mikrofonów optycznych są uzależnione w decydującym stopniu od rozwoju technicznego diod świecących i laserowych.

Zastosowania

Mikrofon optyczny jest bezkonkurencyjny w przypadku istnienia silnego pola elektromagnetycznego lub w miejscach zagrożonych wybuchem, jak również przy wysokiej wilgotności. Z całą pewnością nie wyprze on istniejących typów mikrofonów, ale je sensownie uzupełni.