Photon holographic acto-electric receiver-converter

Abstract

Regardless of the design of acoustic signal transducers in the process of acoustoelectric conversion of sound pressure into electrical signals there are shortcomings that lead to deterioration of the technical characteristics of these devices. In the process of conversion there are always nonlinear distortions, the dynamic range of such transducers, their sensitivity and nominal frequency range with permissible nonlinearity of the amplitude-frequency response are limited by circuitry, there is electrical noise, there is a predisposition to self-excitation, there is the so-called “microphone effect”. Methods of improving the basic technical characteristics of such devices lead, as a rule, to a strong complication of their design, increase in power consumption and increase in mass and dimensional characteristics. At the same time, it is relevant to form the output signals of acoustoelectric receiver-converters (ARC) directly in the digital form of representation and with the mandatory fulfillment of regulatory requirements to the basic technical characteristics of these devices. The article presents a possible variant of ARC design, which fully meets the requirements to the technical characteristics of such a device by using in its design a mechanical sensitive element in the form of a membrane in combination with a holographic interferometer based on the spatial-spectral method of holographic interferometry. The structural scheme of the directional noise-resistant photonic holographic ARC is developed, the advantages of its design are formulated and substantiated. The algorithm of holographic ARC functioning is described. By means of mathematical modeling the sensitivity of holographic ARC to movements of its membrane is estimated. A high level of this sensitivity is shown graphically. A reasonable conclusion is made that there is a possibility of unambiguous and accurate registration of ARC membrane displacements regardless of the amplitude of these displacements, which provides high technical characteristics of the holographic ARC.

• acoustic signal receiver
• photonics
• membrane
• fourier hologram
• thin lens
• sensitivity
• dynamic range
• frequency range

Аннотация (на русском)

Фотонный голографический акустоэлектрический приёмник-преобразователь

Независимо от конструкций приёмников-преобразователей акустических сигналов в процессе акустоэлектрического преобразования звукового давления в электрические сигналы проявляются недостатки, которые приводят к ухудшению технических характеристик этих устройств. В процессе преобразования всегда имеют место нелинейные искажения, схемотехнически ограничены динамический диапазон таких преобразователей, их чувствительность и номинальный диапазон частот с допустимой нелинейностью амплитудно-частотной характеристики, присутствует электрический шум, имеется предрасположенность к самовозбуждению, имеет место так называемый «микрофонный эффект». Методы улучшения основных технических характеристик таких устройств приводят, как правило, к сильному усложнению их конструкции, повышению энергопотребления и увеличению массогабаритных характеристик. Актуальным, при этом, является вопрос формирования выходных сигналов акустоэлектрических приёмников-преобразователей (АЭП) непосредственно в цифровой форме представления и при обязательном выполнении нормативных требований к основным техническим характеристикам этих устройств. В статье представлен возможный вариант построения конструкции АЭП, в полной мере отвечающей требованиям к техническим характеристикам такого устройства путём использования в его конструкции механического чувствительного элемента (ЧЭ) в виде мембраны в сочетании с голографическим интерферометром на основе пространственно-спектрального метода голографической интерферометрии. Разработана структурная схема направленного шумостойкого фотонного голографического АЭП, сформулированы и обоснованы достоинства его конструкции. Описан алгоритм функционирования голографического АЭП. Путём математического моделирования проведена оценка чувствительности голографического АЭП к перемещениям его мембраны. Графически показан высокий уровень этой чувствительности. Сделан обоснованный вывод о том, что имеется возможность однозначной и точной регистрации перемещений мембраны АЭП независимо от амплитуды этих перемещений, что обеспечивает высокие технические характеристики голографического АЭП. В статье представлен возможный вариант построения конструкции АЭП, в полной мере отвечающей требованиям к техническим характеристикам такого устройства путём использования в его конструкции механического чувствительного элемента (ЧЭ) в виде мембраны в сочетании с голографическим интерферометром на основе пространственно-спектрального метода голографической интерферометрии. Разработана структурная схема направленного шумостойкого фотонного голографического АЭП, сформулированы и обоснованы достоинства его конструкции. Описан алгоритм функционирования голографического АЭП. Путём математического моделирования проведена оценка чувствительности голографического АЭП к перемещениям его мембраны. Графически показан высокий уровень этой чувствительности. Сделан обоснованный вывод о том, что имеется возможность однозначной и точной регистрации перемещений мембраны АЭП независимо от амплитуды этих перемещений, что обеспечивает высокие технические характеристики голографического АЭП.

For citation

References

1. Крячко В.М. Акустические преобразователи: Учеб. пособие. / С.-Петерб. гос. ун-т. Санкт-Петербург: НИИХ СПбГУ, 2002. - 160 с.
2. Сапожков М.А. Электроакустика: Учебник для вузов. М.: Связь, 1978. 272 с.
3. Вахитов Ш.Я. Современные микрофоны. Теория. Проектирование. СПб.: Изд. СПбГУКиТ, 2003. - 394 с.
4. Безуглов Д.А., Прыгунов А.Г., Трепачев В. В. Анализ дифракции света на эталонной голограмме при измерении перемещений объектов пространственно-спектральным методом. // Автометрия. СО РАН. 1998. № 5. С. 21-28.
5. Прыгунов А.Г., Сизов В.П., Безуглов Д.А. Метод определения перемещений объектов на основе анализа волновых фронтов оптического поля с использованием эталонных голограмм. // Оптика атмосферы и океана. № 6, 1995. - С. 826-830.
6. Прыгунов А.Г. Физические основы использования голографического интерферометра в фотонных телекоммуникационных устройствах. // Радиотехнические и телекоммуникационные системы. Научно-технический журнал, 2021. № 2. С. 42-48.
7. Прыгунов А.Г., Корнев А.С., Лазаренко С.В. Оценка чувствительности голографического интерферометра при оптических измерениях. // Измерительная техника. 2023. № 10. С. 56-62. https://doi.org/10.32446/0368-1025it.2023-10-56-62.