Xarion Mikrofon ohne Membran - wie funktioniert das?

Wafer Design des optischen Mikrofons von Xarion: In einem (starren) Fabry-Pérot-Etalon verändern Schallwellen den Brechungsindex der Luft. Dadurch verändert sich die optische Weglänge des Lasers zwischen den Spiegeln und somit die optische Transmission des Etalons, was zu einem entsprechenden elektrischen Signal führt.
Wafer Design des optischen Mikrofons von Xarion: In einem (starren) Fabry-Pérot-Etalon verändern Schallwellen den Brechungsindex der Luft. Dadurch verändert sich die optische Weglänge des Lasers zwischen den Spiegeln und somit die optische Transmission des Etalons, was zu einem entsprechenden elektrischen Signal führt.

Xarion Laser Acoustics machte kürzlich mit einer völlig neuen Technologie auf sich aufmerksam: Das noch junge Unternehmen stellte das erste optische Mikrofon vor. Basierend auf einem starren Fabry-Pérot-Etalon kommt es komplett ohne bewegliche Teile aus. Lesen Sie hier die Hintergründe.

Die patentierte Technologie des schweizer Erfinders Dr. Balthasar Fischer bietet einige ganz wesentliche Vorteile gegenüber konventionellen, membranbasierten Technologien, die heute den Standard definieren. So ermöglicht das neue Sensorprinzip beispielsweise eine völlig lineare Klangaufnahme, eine sehr geringe Störanfälligkeit für Windgeräusche, Körperschall und Vibrationen sowie ein ausgeprägtes »Richtungshören« (in der Array-Bauweise). Doch betrachten wir zunächst die unterschiedlichen Ansätze.

Der klassische Ansatz

Mikrofone sind Schallwandler, die Luftschall als Wechseldruckschwingungen in entsprechende elektrische Spannungsänderungen als Mikrofon-Ausgangssignal umwandeln. Konventionelle Mikrofone nutzen für die Wandlung vom akustischen zum elektrischen Signal üblicherweise eine Membran, selten werden auch andere bewegliche Teile wie Bändchen oder Kohlestaub-Partikel eingesetzt. Membran-basierte Technologien stellen heute zwar den Marktstandard dar und erzielen auch – teilweise aber zu sehr hohen Herstellungskosten – gute Ergebnisse, haben allerdings nach Überzeugung der Xarion-Wissenschaftler einige wesentliche Nachteile. So sind mechanische Systeme anfälliger gegenüber mechanischen Störungen. Vibrationen, Körperschall und Wind können das Mikrofonsignal verfälschen oder dem Wandler sogar bleibende Schäden zufügen. Auch Windgeräusche stellen bei Mikrofonen im Consumer-Bereich oder bei technischen Schallmessungen Probleme dar – vor allem, wenn statt der Kugel-Charakteristik eine räumliche Vorzugsrichtung (z.B. Niere) gefordert ist.

Ferner stellt die Membran ein Feder-Masse-System dar und besitzt als solches eine Eigenresonanz, was sich nachteilig auf die Frequenzlinearität des Mikrofons auswirken kann. Die träge Masse der bewegten Membran ändert zudem das Impulsverhalten des Mikrofons. Die nötige Kompensation dieser unerwünschten Eigenschaften erfordert ein aufwändiges und teures mechanisches Membran-Design, und oft ist eine künstliche Alterung der Komponenten nötig, um eine zeitliche Stabilität zu gewährleisten.

Für Anwendungen, bei denen eine hohe räumliche Auflösung wichtig ist, werden oft Mikrofon-Array-Anordnungen eingesetzt. Bei herkömmlichen Mikrofonen kann die Phasenstreuung zwischen den einzelnen Kapseln, bedingt durch die jeweils unvermeidlich leicht unterschiedliche Resonanzfrequenz, zu einer deutlichen Verschlechterung gegenüber der theoretisch erreichbaren Auflösung für Arrays führen.

Der optische Ansatz

Xarions Mikrofon-Technologie verwendet ein optisches Funktionsprinzip, das sich grundlegend von der mechanischen Schallwellentransmission konventioneller Mikrofone unterscheidet. In einem (starren) Fabry-Pérot-Etalon (optischer Resonator bestehend aus zwei plan-parallelen optischen Spiegeln und einem Laserstrahl) verändern Schallwellen den Brechungsindex der Luft. Dadurch verändert sich die optische Weglänge des Lasers zwischen den Spiegeln und somit die optische Transmission des Etalons, was zu einem entsprechenden elektrischen Signal führt. Im Gegensatz zu den heute marktbestimmenden Mikrofonen und anderen optischen Technologien stellt das optische Mikrofon das weltweit erste Mikrofon ohne bewegliche Teile dar.

Die Vorteile der Technologie:

  • Völlig linearer Frequenzgang des Sensors
  • Keine Nachschwingungen (keine träge Masse wird bewegt)
  • Geringe Empfindlichkeit für Vibrationen, Windgeräusche und Körperschall
  • Hohe mechanische Stabilität, akustische Schockresistenz
  • Sehr gute Richtwirkung in Array-Bauweise (keine Phasenstreuung)
  • Ultraschalldetektion bis 200+ kHz
  • Im Glasfaserdesign: Immunität gegenüber elektromagnetischer Interferenz, quasi-verlustfrei über kilometerlange Distanzen

Vielfältige Anwendungen

Das optische Mikrofon soll in Forschungs-/Industrieanwendungen, im technischen Schallmessungsmarkt sowie im Bereich Professional Audio/Consumer Electronics eingesetzt werden. Zusätzlich kann das Messprinzip grundsätzlich überall da angewendet werden, wo hochfrequente Dichteänderungen in Gasen oder Flüssigkeiten gemessen werden sollen. Entsprechend hoch ist das Marktpotential für Xarions neue Technologieplattform.

Aktuell bietet Xarion zwei Produktlinien an. Für die Glasfaser-gekoppelte Variante, bei der der Sensorkopf von der Laserquelle und der optischen Detektionseinheit getrennt ist, wird der Markteintritt bereits vorbereitet. Sie ist besonders für den Einsatz unter sonst für Mikrofone sehr ungünstigen Bedingungen (z.B. Feuchtigkeit, Wind, elektromagnetische Strahlung) gedacht. Gleichzeitig arbeitet das Team an der Entwicklung eines miniaturisierten Mikrofons (4x4-mm-Plattform), das alle optischen Elemente sowie die Elektronik in integrierter Bauweise enthält. Die Herstellung setzt auf modernste Wafer-Technologie. Deswegen sollen laut Xarion auch hohe Stückzahlen kostengünstig hergestellt werden können.