میکروفون نوری
Optical Microphone
مهدی نوروزی فر
نوع جدیدی از مبدلهای آکوستیکی،میکروفونهای نوری هستند که در کاربردهای ویژه ای استفاده میشوند.میکروفونهای موجود مانند میکروفونهای دینامیکی و خازنی ،دارای پاسخ فرکانسی مناسب و تقریباً قابل استفاده برای همه نیازها اعم از استودیویی ویا غیره می باشند.با این حال شرایطی وجود دارد که میکروفونهای معمول قابل استفاده نیستند.نوع جدید مبدلهای آکوستیکی مورد بحث میکروفونهای نوری هستند.
درا ین نوع تبدیل سیگنال صوتی در دو مرحله انجام می شود:
1- صدا به یک صفحه حساس برخورد می نماید و متناسب با فشار وارده،نور متمرکز بر روی صفحه را مدوله می نماید.
2- سیگنال نوری مدوله شده به سیگنال الکتریکی تبدیل می شود.
مزایای استفاده از میکروفون نوری:
1- راس میکروفون را می توان با فاصله از آشکارساز و منبع نوری قرار داد.بطور مثال می توان آنها را در فاصله 300 فوتی از همدیگر قرار داده و از طریق کابل نوری با هم مرتبط نمود بدون اینکه کیفیت صدا افت نماید.
2- میکروفونهای نوری می توانند در محیطهای با میدان الکتریکی و یا مغناطیسی قوی، بخوبی و بدون افت کیفیت کار کنند.
3- میکروفونهای نوری نیازی به سیم کشی و انتقال جریان الکتریکی به راس میکروفون را ندارند.
اصول کلی کارکرد میکروفونهای نوری:
شکل 1 نمایی از یک میکروفون نوری، با لنزها در انتهای فیبر را نشان می دهد:
فیبر ارسال یک نور متمرکز مادون قرمزخالص را که از یک LED ساطع می شود به صفحه دیافراگم می تاباند.این پرتو به قسمت متحرک صفحه ممبران برخورد کرده و بازتاب آن توسط فیبر دیگر دریافت می شود.پرتو نوری توسط فرستنده به گونه ای روی صفحه متمرکز می شود که بازتاب آن در حالت بدون تحریک ممبران بر روی گوشه لنز دریافت باشد.
پرتو متمرکز، دقیقا نیمی از قسمت باز فیبر را پوشش می دهد. هنگامی که دیافراگم تحریک می شود،دو حالت بوجود می آید:یا قسمت باز فیبر توسط پرتو متمرکز بیشترپوشیده می شود که در اینصورت ضریب انتقال نور افزایش می یابد ویا اینکه پرتو از قسمت باز منحرف می شود که در اینصورت ضریب انتقال نور کاهش می یابد. در نتیجه نوعی مدولاسیون نوری انجام می شود. در پیاده سازی روش فوق ملاحظاتی باید در نظر گرفته شود: برای بدست آوردن صدایی با کیفیت عالی، انحراف فیبر ارسال و فیبر دریافت که با همدیگر از طریق ممبران مرتبطند نبایستی بیش از 1-5 µm و حدود 0.5 – 3 درجه از حالت بهینه باشد. خود فیبر قطری در حدود 200 - 230µm دارد و فاصله دیافراگم از لنز در حدود 50µm می باشد. شعاع انحنای فیبر نبایستی بیش از 5µmباشد. برای دست یافتن به معیارهای فوق ، در فرآیند تولید از سیستمهای میکروالکترومکانیکی MEMS استفاده می-شود. به اینصورت که فیبر در یک قالب پلاستیکی دیگر که نگهدارنده صفحه ممبران است و کشش ثابتی را برای صفحه ممبران ایجاد کرده و امکان لرزش را به آن میدهد قرا می گیرد. شکل 2 فیبر را در حالتی که در محفظه نگهدارنده چسب شده است نشان میدهد.
ممبران در جای مخصوص خود قرار می گیرد و کالیبره می شود . این فرایند بیشترین بازدهی را بدست می دهد. ضریب انتقال ، با تحریک صفحه ممبران تغییر می نماید. این مقدار با کاهش فاصله صفحه ممبران از فیبر به صورت خطی افزایش یافته وبا افزایش فاصله ممبران از فیبر دوباره بصورت خطی کاهش می یابد. بیشترین مقدار تحریک ممبران حدود 50 µmاست.
در عمل بیشترین مقدار تحریک صفحه ممبران 500-1000nm است.بنابراین خروجی در بیشترین حالت تحریک ، همواره بصورت خطی باقی خواهد ماند. شکل 3 نمونه پبش تولید این میکروفون باقطر استاندارد 1/2 اینچ را نشان می دهد.
در شکل 4 پاسخ فرکانسی میکروفون نشان داده شده است.
تئوری های پیاده سازی انواع میکروفونهای نوری:
1- درنوع اول که براحتی قابل درک است پرتو لیزربه صفحه شیشه ای تابانیده شده و بازتاب آن توسط آشکارساز دریافت می شود.لرزش صفحه شیشه ای باعث انحراف پرتو لیزر خواهد شد.
2- روش دوم تا حدودی مشابه روش اول است ، با این تفاوت که پرتو لیزر و آشکارساز نزدیک به هم قرار گرفته و پرتو تابش و بازتابش زاویه کمی نسبت به همدیگر خواهند داشت. با استفاده از Interferometry (یافتن طول موج نور با استفاده از مقایسه طول موج نور مورد نظر با طول موج یک پرتو نوری مشخص) مسیر پیموده شده توسط پرتو محاسبه می شود. پیاده سازی این روش نسبت به روش قبل مشکل تر است،از جمله اینکه محاسبات دقیقی برای مسیر طی شده توسط پرتو نور بایستی انجام شود.
3- روش سوم نیز از Interferometry استفاده می کند.مسیر پرتو لیزر و پرتو بازتاب مطابق شکل است:
4- روش چهارم تا حدودی مشابه روش فوق می باشد،با این تفاوت که دوپرتو لیزر تابیده می شود که به این نوع میکروفون،دو پرتو لیزری گفته می شود.مزایای این روش این است که مد مشترک با استفاده از محاسبات دیفرانسیلی حذف خواهد شد،لذا مصونیت در برابر نویز افزایش می یابد. دوم اینکه نیاز به دقت بالای پیاده سازی ندارد.
کاربردها:
از آنجا که میکروفونهای نوری شامل قطعات فلزی نبوده و جریان یا شار الکتریکی در آنها استفاده نمی شود می توانند برای استفاده های زیر مفید باشند:
- عملکرد در میدانهای الکتریکی،مغناطیسی و الکترومغناطیسی قوی.این میکروفون عملکرد در اینگونه موارد را تضمین می نماید.یکی از مکانهایی که از این نوع در آنها استفاده می شود، برای ارتباط با بیمار در عکسبرداریهای MRI است.
- عملکرد در مکانهای پرخطر.از آنجا که در میکروفون نوری از سیم کشی استفاده نمی شود، می توان از آن در مکانهای دارای مواد قابل اشتعال ویا انفجاری استفاده نمود.
- قابل ردیابی نبودن.از آنجا که میکروفون نوری میتواند بدون استفاده از اجزای فلزی ساخته شود قابل شناسایی بوسیله شناساگرهای فلزی نیست.
- در مکانهای با رطوبت بالا می توانند کار کنند.