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Kurzfassung

Vorgestellt wird ein neuartiges Verfahren zur adaptiven Schalldetektion in Gasen und Flüssigkeiten mit integrierter, frequenzselektiver Signalverstärkung und Signalzerlegung in Frequenzbänder. Verwendet werden sogenannte Cantilever aus der Rasterkraftmikroskopie. Diese „Biegebalken“ als Sensorarray verbiegen sich beim Auftreffen eines Schallsignals. Mit Hilfe des integrierten Aktuators werden die Cantilever angeregt und das Maß der Dämpfung ausgewertet. Die Aufnahme des Schallsignals erfolgt im Bereich der Resonanzfrequenz, so dass sehr frequenzselektiv nur Schallsignale mit Frequenzanteilen nahe der Resonanzfrequenz erfasst und verstärkt werden. Nichtlineare Effekte können zur Erweiterung des Dynamikbereiches, des Frequenzbandes und Verbesserung der Frequenzauflösung genutzt werden.

Die Erfindung ist einsetzbar in der Akustik für neuartige Mikrofontechnik mit integrierter Verstärkung für Telefonie, für Geräte mit Sprachsteuerung, Tonaufnahmegeräte, Musik/Radio/TV und auch als implantierbare Mikrofone.

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Hintergrund

Bei einem neuartigen Verfahren zur adaptiven Schalldetektion in Gasen und Flüssigkeiten mit integrierter, frequenzselektiver Signalverstärkung und Signalzerlegung in Frequenzbänder werden sogenannte Cantilever aus der Rasterkraftmikroskopie verwendet.

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Bilder & Videos

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Problemstellung

Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Verfahren bekannt, welche zur Detektion von Schall in Flüssigkeiten und Gasen genutzt werden können. Jedoch keines dieser Verfahren nutzt Bauteile wie den Cantilever aus dem Bereich der Rasterelektronenmikroskopie.

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Lösung

Mit Hilfe des integrierten Aktuators werden die Cantilever angeregt und das Maß der Dämpfung ausgewertet. Die Aufnahme des Schallsignals erfolgt im Bereich der Resonanzfrequenz, so dass sehr frequenzselektiv nur Schallsignale mit Frequenzanteilen nahe der Resonanzfrequenz erfasst und verstärkt werden. Nichtlineare Effekte können zur Erweiterung des Dynamikbereiches, des Frequenzbandes und Verbesserung der Frequenzauflösung genutzt werde

• Verbiegungssignal wird über Rückkoppelschleife zur Aktuation des Balkens genutzt
• Rückkopplungsschleife kann über analoge Schaltkreise oder z.B. FPGA realisiert werden
• Rückkopplungsschleife ermöglicht die dynamische Einstellung der Sensoreigenschaften (Frequenz, Dämpfung, Nichtlinearität) sowie der Einstellung und Ausnutzung der Kopplung zwischen den Sensoren

 

 

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Vorteile

• Verstärkung wird in die Detektion integriert (keine zusätzlichen Verstärker)
• Signalverarbeitung (kompressives Verstärken, Filtern etc) kann in Detektion integriert
• Bei Betreiben des Sensors im nichtlinearen Bereich größerer Dynamikbereich und bessere Frequenz-Auflösung und höhere Signal-zu-Rausch-Verhältnisse möglich
• Frequenz-selektiv einstellbar (personalisierbar)
• Biomimetische Schalldetektion realisierbar mit weniger Signalverzerrungen (durch die Signalverarbeitung)
• Geringe Größe der Sensoren (~300um lang), weiter miniaturisierbar

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Anwendungsbereiche

• Mikrofontechnik (Akustik)
• Medizintechnik (Hörgeräte/-implantate-hersteller)
• Messtechnik (Strömungen von Gasen, Flüssigkeiten, Anlagenakustik )