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I have an idea... A microphone for extremely low frequencies!

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Pangwall:
Was man im Laborjournal so alles findet...  8)

https://www.laborjournal.de/epaper/LJ_22_11.pdf

translated with deepl.com

[*quote*]
I have an idea...

Who builds a microphone for extremely low frequencies?

What good are all ideas if nobody knows about them - and if you don't have the possibility to build the device you dream of? I don't want a patent fee either. Once published, the instrument is no longer patentable. For me, it's strictly about the cause, not about money. Because it is a real milestone in medicine.

Doctors usually listen into the body with a stethoscope to check heart or lung sounds. To be able to hear very low frequencies from the body, a special microphone would have to be constructed. Aribert Deckers has an idea for this.

My idea: a microphone for frequencies at 0 hertz. Read correctly: Zero Hertz. What for? For recording sounds in the human body. Of course, the device can be used for other purposes as well.
There are many microphones for medical use, from a simple stethoscope to a round puck that records and stores eight seconds of heart sounds. But at zero
Hertz they all fail. The reason lies in the conversion of sound into electrical energy (which is then amplified in subsequent electronics).

Basically, there are two types of microphones so far. One makes a diaphragm move a coil in a magnetic field and in this way generates a current in the coil. The others use capacitor foils, where the movement is transferred to the foils, creating a voltage change. Both methods work worse and worse as the frequency approaches zero Hertz. Why? Because the energy transfer gets weaker and weaker. At zero hertz, there is no motion, so there is no energy transfer. Frequency has a direct effect on the energy acting into the microphone.

Humming muscles

But there is work to be done on mechanical transmission. One of the pitfalls of the microphones used to date is the superstition held by doctors that human hearing extends to 20 hertz. Below that, one would no longer hear anything. The doctors refer to the "hearing curve". In doing so, they make a mistake that is so grotesque that I did not notice it for many years. The hearing curve applies exclusively to sound that hits the body from the outside. But what I want to study are the sounds that the body itself produces. For example, the hum of the muscles at about 11 hertz when they vibrate. To produce this vibration by sound from outside, you would need a very high sound pressure. But if the muscles move by themselves, the energy of the movement is in the body. It does not come from outside, it is inside. All very simple physics, but many doctors don't understand it....

How to record these low frequencies? Common microphones use a membrane in a small can that is pressed onto the body from the outside. The sound waves emitted by the body through the skin first pass through the skin from the inside. From there, they are transmitted through the air to the diaphragm suspended deeper in the can, which in turn moves a coil or condenser.

This transmission has several weak points. I have already pointed out the coil and the capacitor, respectively.

But already the transmission through the skin causes a considerable attenuation. My solution: the transmission is not done through the skin, but through the teeth - more precisely the upper jaw. Here the best possibility of transmission is by body conduction through the spine to the teeth. The teeth are not soft, like the skin, but transmit the vibrations well. So, it is only necessary to attach a plastic clamp to one tooth, which acts on the vibration sensor at the other end. But this does not eliminate the problem of poor energy transmission at the low frequencies. By chance, I learned about a development in hard disks. There, one was able to achieve a fabulous leap in storage density a few years ago. How? By no longer using small coils to detect the magnetic fields flying past the read head due to the rotation of the disk, but by using a sensor made of a material whose resistance is very strongly changed by the magnetic field. If the magnet is further away, the field is weak; if it is closer, the field is stronger. A very direct dependence: every change of the magnetic field causes a change of the resistance of these so-called magnetoresistive components. Without dependence on the frequency. The material can work statically, at 0 Hertz!

This is how it could work

How to build a microphone with it?


My solution: A plastic part is clamped to the bit, which transmits the vibration to a tiny magnet: The magnet is moved by the plastic part, causing the change in resistance in the sensor. Nothing more is needed than electronics that measures a voltage dropping across the resistor with an A/D converter and stores it digitally. This electronic part is completely independent of the vibration, has its own power supply and can be built with standard components.

And the magnetoresistive sensor? Thanks to hard drives and other industrial electronics these sensors are produced in billions of units. The only thing left to do: put the parts together in a mechanically useful way.

The sensors are called "AMR," "GMR" and "TMR." Search for these terms and you'll be amazed at what all is already being made with these things. From limit switches to seismometers (including a microphone, but an extremely crude one), the huge range goes on. But unfortunately still no microphone for a frequency of 0 Hertz in medicine.

Well, I hope I have awakened your ambition.

Aribert Deckers

When going to school, Aribert Deckers wanted to become a biologist, but then studied electrical engineering at the University of Stuttgart. For more than a quarter of a century, he has been pursuing medical frauds with zeal and with great success.


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Ich habe da eine Idee...
Wer baut ein Mikrofon für extrem tiefe Frequenzen?

Was nützen alle Ideen, wenn niemand davon weiß – und wenn man nicht die Möglichkeit hat, das Gerät zu bauen, von dem man träumt? Ich will auch keine Patentgebühr. Mit der Veröffentlichung ist das Instrument nicht mehr patentierbar. Mir geht es ausschließlich um die Sache, nicht um Geld. Weil es ein echter Meilenstein in der Medizin ist.

Mediziner horchen meist mit einem Stethoskop in den Körper hinein, um Herz- oder Lungengeräusche zu überprüfen. Um auch sehr tiefe Frequenzen aus dem Körper wahrnehmen zu können, müsste man ein spezielles Mikrofon konstruieren. Eine Idee dazu hat Aribert Deckers.

Meine Idee: Ein Mikrofon für Frequenzen bei 0 Hertz. Richtig gelesen: Null Hertz. Wofür? Für die Aufzeichnung von Geräuschen im menschlichen Körper. Für andere Zwecke ist das Gerät natürlich auch brauchbar.
Mikrofone für die Medizin gibt es viele, vom einfachen Stethoskop bis zum runden Puck, der acht Sekunden lang die Herztöne aufzeichnet und speichert. Aber bei null
Hertz versagen sie alle. Der Grund liegt in der Umsetzung von Schall in elektrische Energie (die dann in der nachfolgenden Elektronik verstärkt wird).

Grundsätzlich gibt es bisher zwei Arten von Mikrofonen. Die einen lassen eine Membran eine Spule in einem Magnetfeld bewegen und erzeugen auf diese Weise in der Spule einen Strom. Die anderen benutzen Kondensator-Folien, bei denen die Bewegung auf die Folien übertragen wird, wodurch eine Spannungsänderung entsteht. Beide Verfahren funktionieren immer schlechter, je mehr sich die Frequenz null Hertz nähert. Warum? Weil die Energieübertragung immer schwächer wird. Bei null Hertz gibt es keine Bewegung, also keine Energieübertragung. Die Frequenz hat eine direkte Wirkung auf die in das Mikrofon wirkende Energie.

Brummende Muskeln

Aber man kann ja auch an der mechanischen Übertragung arbeiten. Eine der Fallen bei den bisher verwendeten Mikrofonen ist der Aberglaube der Ärzte, das Hörvermögen des Menschen reiche bis 20 Hertz. Darunter würde man nichts mehr hören. Die Ärzte verweisen auf die „Hörkurve“. Dabei machen sie einen Fehler, der so grotesk ist, dass ich ihn viele Jahre lang nicht bemerkte. Die Hörkurve gilt ausschließlich für Schall, der von außen auf den Körper trifft. Aber was ich untersuchen will, sind die Geräusche, die der Körper selbst erzeugt. Zum Beispiel das Brummen der Muskeln mit etwa 11 Hertz, wenn sie vibrieren. Um diese Vibration durch Schall von außen zu erzeugen, bräuchte man einen sehr hohen Schalldruck. Bewegen sich die Muskeln aber von selbst, ist die Energie der Bewegung im Körper. Sie kommt nicht von außen, sie ist innen drin. Alles sehr einfache Physik, aber viele Ärzte verstehen sie nicht...

Wie kann man diese niedrigen Frequenzen aufnehmen? Übliche Mikrofone benutzen eine Membran in einer kleinen Dose, die von außen auf den Körper gedrückt wird. Die vom Körper durch die Haut abgegebenen Schallwellen gelangen zuerst von innen durch die Haut. Von dort werden sie durch die Luft auf die tiefer in der Dose aufgehängte Membran übertragen, die dann ihrerseits eine Spule oder einen Kondensator bewegt.

Diese Übertragung hat mehrere Schwachstellen. Auf die Spule beziehungsweise den Kondensator habe ich bereits hingewiesen.

Aber schon die Übertragung durch die Haut hindurch bewirkt eine erhebliche Dämpfung. Meine Lösung: die Übertragung erfolgt nicht über die Haut, sondern über das Gebiss – genauer gesagt den Oberkiefer. Hier ist die beste Übertragungsmöglichkeit durch Körperleitung über die Wirbelsäule auf die Zähne, wobei die Zähne nicht weich sind, wie die Haut, sondern die Schwingungen gut übertragen. Man muss also nur an einem Zahn eine Plastikklammer befestigen, die am anderen Ende auf den Schwingungssensor wirkt. Damit ist das Problem der schlechten Energieübertragung bei den tiefen Frequenzen aber nicht beseitigt. Durch einen Zufall habe ich von einer Entwicklung bei Festplatten erfahren. Dort hat man vor einigen Jahren einen sagenhaften Sprung der Speicherdichte erreichen können. Wie? Indem man nicht mehr kleine Spulen benutzt zur Erkennung der durch die Rotation der Scheibe am Lesekopf vorbeifliegenden Magnetfelder, sondern einen Sensor aus einem Material, dessen Widerstand durch das Magnetfeld sehr stark geändert wird. Ist der Magnet weiter weg, ist das Feld schwach, ist er näher dran, ist das Feld stärker. Eine ganz direkte Abhängigkeit: Jede Änderung des Magnetfelds bewirkt eine Änderung des Widerstands dieser sogenannten magnetoresistiven Bauteile. Ohne Abhängigkeit von der Frequenz. Das Material kann statisch arbeiten, bei 0 Hertz!

So könnte es gehen

Wie baut man damit ein Mikrofon?

Meine Lösung: Am Gebiss wird ein Plastikteil festgeklemmt, das die Vibration auf einen winzigen Magneten überträgt: Der Magnet wird durch das Plastikteil bewegt und verursacht damit die Änderung des Widerstandes im Sensor. Man braucht nichts weiter als eine Elektronik, die eine am Widerstand abfallende Spannung mit einem A/D-Wandler misst und digital speichert. Dieser elektronische Teil ist von der Vibration völlig unabhängig, hat seine eigene Stromversorgung und kann mit Standard-Bauteilen gebaut werden.

Und der magnetoresistive Sensor? Dank Festplatten und anderer Industrie-Elektronik werden diese Sensoren in Milliardenstückzahlen hergestellt. Das Einzige, was man noch tun muss: die Teile mechanisch brauchbar zusammenzufügen.

Die Sensoren werden als „AMR“, „GMR“ und „TMR“ bezeichnet. Suchen Sie nach diesen Begriffen und Sie werden staunen, was alles bereits mit diesen Dingern hergestellt wird. Vom Endschalter bis zum Seismometer (darunter auch ein Mikrofon, aber ein extrem grobes) reicht die riesige Palette. Aber leider noch kein Mikrofon für eine Frequenz von 0 Hertz in der Medizin.

Wohlan, ich hoffe, ich habe Ihren Ehrgeiz geweckt.

Aribert Deckers

Aribert Deckers wollte als Schüler Biologe werden, studierte dann aber doch Elektrotechnik an der Universität Stuttgart. Seit mehr als einem Vierteljahrhundert verfolgt er mit Feuereifer und durchaus erfolgreich Medizinbetrüger.
[*/quote*]

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