Christina Benjaminsen, SINTEF
Датчик, разработанный в Норвегии, дает микрофонам очень острый «слух» и способность определять направление
Датчик, разработанный учеными лаборатории MiNaLab из норвежской научной организации SINTEF, сможет сделать микрофоны сверхчувствительными. «Представьте обычное оборудование для видеоконференций. За столом сидят несколько человек, но микрофон установлен в месте, где возможности восприятия звуков далеки от оптимальных. С помощью технологии такого рода микрофоны смогут «видеть», откуда идет звук, настраиваться на голос говорящего и отфильтровывать другие источники шума в помещении», – объяснил исследователь в области информационных технологий и коммуникаций Матье Лаколь (Matthieu Lacolle), подчеркнув, что ученые из отдела акустики SINTEF также внесли свой вклад в разработку этого инновационного решения.
Небольшой, но плотно упакованный
Микрофон буквально набит микроэлектроникой. Но что делает его действительно особенным, так это оптический датчик положения, диаметром не более миллиметра. Причина по которой датчику положения отвели столь важную роль заключается в том, что функционирование микрофона полностью зависит от мембраны, которая воспринимает упругие волны, создаваемые источником звука.
Лаколь пояснил: «В принципе, микрофон работает как барабан. У вас есть мембрана, которая вибрирует, когда подвергается воздействию звука, представляющего собой просто последовательность волн давления. За мембраной у вас имеется опорная поверхность. Расстояние между двумя поверхностями соответствует интенсивности звука. Мы регистрируем это, измеряя световые волны микроскопического лазера, поэтому мы можем утверждать, что датчик в микрофонах на самом деле видит свет».
Датчик может улавливать невероятно малые перемещения, и, следовательно, очень тихие звуки. Если сделать мембрану достаточно легкой и позволить ей свободно колебаться в воздухе, то микрофон станет чувствительным к направлению. «Это также позволяет нам определять, откуда исходит звук», – говорит Лаколь, уточняя, что толщина мембраны составляет 100 нм – в 1000 раз тоньше, человеческого волоса.
Окрашен светом
Технология, делающая микрофон столь чувствительным, основана на сочетании двух обусловленных волновым характером света оптических явлений: интерференции и дифракции.
«Если мы будем держать компакт-диск на свету, то увидим игру цветов при отражении света. Это происходит потому, что свет состоит из спектра волн различной длины, которые невооруженным глазом воспринимаются как цвет, и эти волны дифрагированы в разные стороны», – обяснил Лаколь.
«Другим явлением, которое может быть использовано для измерения звука, является интерференция, которая проявляется, когда несколько волн накладываются друг на друга. Вы можете наблюдать это, стоя на побережье и глядя, как волны отталкиваются от берега и накладываются на пики волн, идущих вслед за ними по направлению к берегу. Может образоваться сложная и хаотичная картина, но это приводит к появлению стоячих волн, которые вообще выглядят неподвижными», – объясняют исследователи SINTEF.
Создав оптимальный датчик, ученые использовали оптическую дифракцию и интерференцию для измерения смещений мембраны меньших, чем диаметра атома.
«Мы создали специальные рифленые микроструктуры на опорной поверхности, которая находится непосредственно под мембраной микрофона. Когда лазер освещает эти микроструктуры, мы можем считывать направление, в котором отражается свет, с помощью фотоприемников, преобразующих свет в электрические сигналы».
Массовое производство в лабораторных условиях
Таким образом, микрофон состоит из сверхтонкой мембраны, крошечных рифленых микроструктур, миниатюрного лазера и ряда фотодетекторов. Все это интегрировано в компактную микросхему, любой элемент которой можно серийно изготавливать на кремниевой подложке по стандартной технологии травления с помощью специального оборудования, размещаемого в чистой комнате.
Производство без пыли
В чистой комнате MiNaLab производство осуществляется в строго контролируемых условиях. Производственный процесс чрезвычайно чувствителен, и даже крошечная пылинка может превратить всю партию продукции в брак, поскольку она может повлиять на микроструктуры.
«Именно поэтому наша лаборатория оснащена оборудованием для гашения вибраций и воздушными фильтрами, которые удаляют частицы размером до 100 нм», – пояснил Лаколь.
 |
| Условия производства в чистой комнате MiNaLab строго контролируются. |
Мониторинг шума
Норвежская компания Norsonic, поставляющая различное шумоизмерительное оборудование, намерена использовать новый микрофон для измерения звукового давления и акустической мощности.
«Микрофон – сердце оборудования, которое мы поставляем. Уникальность этой технологии в том, что она может дать нам очень чувствительный микрофон, способный регистрировать звуковые волны далеко за пределами диапазона, в котором работают нынешние микрофоны той же ценовой категории. Это позволяет нам конкурировать на рынке, занятом в настоящее время очень дорогостоящим оборудованием. Наша версия также намного компактнее, что само по себе является преимуществом, поскольку физические размеры микрофона на самом деле влияют на измеряемое им звуковое поле», – сказал старший научный сотрудник компании Norsonic Оле Герман Бйор (Ole Herman Bjor).
Факты: как работает микрофон
Проще говоря, мы можем сказать, что новый микрофон работает следующим образом:
- Прежде всего, звуковое давление преобразуется в движение мембраны.
- Эти движения оптически считываются с помощью светочувствительных датчиков.
- Интенсивность света измеряется с помощью датчика, который в свою очередь, преобразует ее в электрический сигнал, используемый для воспроизведения звука.
Потенциальными областями применения такого датчика могут быть:
- геофоны для сейсморазведки,
- фотоакустические датчики газа,
- акселерометры,
- датчики вибраций,
- гироскопы,
- датчики давления,
- высокотемпературные версии вышеперечисленных датчиков,
- датчики, применяемые в сильно облучаемых местах (атомные электростанции, рентгеновское оборудование) или местах с присутствием электромагнитного излучения (датчики в двигателях или магнитно-резонансное оборудование).
