us patent 4321463 to inventor samuel stecher, entitled “low frequency laser detector for musical...
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8/16/2019 US patent 4321463 to inventor Samuel Stecher, entitled “Low Frequency Laser Detector for Musical Instrument, is…
1/10
s a c - L 5 6 6
3123/32
s e
United S t a t e s Patent [ 1 9 1
S t e c h e r
4 , 3 2 1 , 4 6 3
M a r . 2 3 , 1 9 8 2
[ 1 1 ]
[ 4 5 ]
[ 5 4 ]
LOW
FREQUENCY LASER FIBEROPTIC
DETECTOR APPARATUS FOR
MUSICAL
INSTRUMENTS
AND
INTRUSION
[ 7 6 ]
[ 2 1 ]
[ 2 2 ]
[ 5 1 ]
[ 5 2 ]
[ 5 3 ]
[ 5 6 ]
DETECTION
I n v e n t o r :
S a m u e l
J . \ S t e c h e r , 3 9 0 Ogden A v e . ,
J e r s e y C i t y , NJ. 0 7 3 0 7
A p p l .
N o . : 1 0 4 , 5 6 0
F i l e d :
D e c . 1 7 ,
1 9 7 9
Int.
Cl.3 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. .
G02B 5/14
US.
l . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.
250/227;
84/
. 1 8 ;
3 4 0 / 5 6 6
Field of Search . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
8 4 / 1 . 1 4 ,
1 . 1 5 , 1 . 1 6 ,
8 4 / . 1 8 ; 2 5 0 / 2 2 7 ; 3 4 0 / 5 6 6 ;
3 5 0 / 9 6 2 9 ;
4 5 5 / 6 0 5 ,
6 1 2 ,
6 1 3 , 6 1 4
R e f e r e n c e s C i t e d
U . S . PATENT
DOCUMENTS
3,625,589
12/ 1971
Snitzer
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
.
350/9629
3,920,982 11/1975
Harris .. .
. . . . . . 250/199
4,011,754 3/1977 P i t t
. . . . . . . . . .
250/227
4 , 0 2 8 , 9 7 7
6/ 1977 Ryeczek
.....................
.
84/
. 1 8
4 , 0 7 1 , 7 5 3 l / l 9 7 8 F u l e n w i d e r e t a l .
2 5 0 / 2 2 7
4,086,484 4/
1978
Steensm a . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350/9629
4 128 759
12/1978 Hunt et
a l . . . . . . . . . .
..
350/9613
4 , 1 6 2 , 3 9 7 7 / 1 9 7 9
Bucaro t
a l .
350/9629
4,235,113 ll/l980 Carome . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 350/9629
P r i m a r y Examiner—David C .
Nelms
A t t o r n e y
A g e n t ,
o r Firm—Richard C .
Woodbridge
[ 5 7 ]
ABSTRACT
An
p t i c a l
?ber
s
used a s
a
t r a n s d u c e r
t o
convert
a low
f r e q u e n c y
m e c h a n i c a l
d i s t u r b a n c e
i n t o
l o w f r e q u e n c y
a m p l i t u d e m o d u l a t e d o p t i c a l e n e r g y .
A c c o r d i n g
t o t h e
p r e f e r r e d
e m b o d i m e n t
o f
t h e i n v e n t i o n t r a n s d u c t i o n
o c c u r s by
means
o f a m u l t i - p a t h i n t e r f e r e n c e phenom
e n a c a p a b l e
o f
r e s p o n d i n g t o a c o u s t i c i n f o r m a t i o n r a n g
i n g from e s s t h a n one hundredth
o f a
c y c l e
p e r
second
t o s e v e r a l hundred t h o u s a n d
c y c l e s
p e r s e c o n d . T h i s
f e a t u r e
o f t h e
i n v e n t i o n makes
t h e
g e n e r a l
c o n c e p t a p
p l i c a b l e
t o
u s e i n musical i n s t r u m e n t s o r
a s
a
s e c u r i t y
s e n s i n g d e v i c e .
W h e n
t h e c o n c e p t i s a p p l i e d
t o
a
m u s i
c a l i n s t r u m e n t
i t
w o u l d
p r e f e r a b l y i n c l u d e
t h e f o l l o w i n g
elements
i n
s e r i e s : a
s o l i d
s t a t e l a s e r , a multi-mode o r
s i n g l e
i n d e x
o p t i c
? b e r , a s q u a r e law e t e c t o r , s u c h
a s
a
p h o t o d i o d e , a n a u d i o
a m p l i ? e r a n d
a s p e a k e r . W h e n t h e
c o n c e p t i s a p p l i e d
i n
t h e embodiment
o f
a s e c u r i ty s e n s
i n g
a p p a r a t u s
i t
would
p r e f e r a b l y
i n c l u d e t h e
same
a c
t i v e e l e m e n t s ( i . e . a s o l i d s t a t e l a s e r , a multi-mode or
s i n g l e i n d e x o p t i c ? b e r ,
a n
o p t i c a l
d e t e c t o r ) ,
b u t
t h e
a m p l i ? e r
s e c t i o n
would
f u r t h e r i n c l u d e s p e c i a l c i r c u i t r y
a n d d i s c r i m i n a t i o n l o g i c . I n t h e s e c u r i t y s e n s o r embodi
ment
t h e
o u t p u t o f
t h e
d e v i c e c a n
b e made
c o m p a t i b l e
w i t h
a n y
number
o f e x i s t i n g d i s c r i m i n a t i o n t e c h n i q u e s
b a s e d upon power p e c t r u m d e n s i t i e s
a n d f r e q u e n c i e s
o f
d o m a i n .
The
l e n g t h
o f
t h e s e c u r i t y s e n s o r c a b le would
b e t y p i c a l l y
l o n g e r t h a n
t h e
d e v i c e when
employed
n a
m u s i c a l i n s t r u m e n t and would
b e i n t h e n e i g h b o r h o o d
o f 1 0 0
m e t e r s .
9
C l a i m s ,
1 2
D r a w i n g F i g u r e s
-
8/16/2019 US patent 4321463 to inventor Samuel Stecher, entitled “Low Frequency Laser Detector for Musical Instrument, is…
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US. Patent M a r .
2 3 ,
1 9 8 2
S h e e t 1 o f 4
4,321,463
F i g
/ .
F i g . 2 A .
g )
T F P F
F i g .
2 B .
-
8/16/2019 US patent 4321463 to inventor Samuel Stecher, entitled “Low Frequency Laser Detector for Musical Instrument, is…
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US, amm
M a r . 2 3 ,
1 9 8 2
S h e e t 2
o f 4 4,321,463
F i g 3 ;
IMPUT
20
FROM
M U S I C I A N
l 2
: 4
l 6 l 8
/
LASER
= STRINGS
>
DETECTOR
~
PREAMP ——‘-—>OUTPUT
F i g . 4 A . F i g . 4B
-
8/16/2019 US patent 4321463 to inventor Samuel Stecher, entitled “Low Frequency Laser Detector for Musical Instrument, is…
4/10
US.
Patent
M a r .
2 3 , 1 9 8 2
S h e e t
3
0 f
4
4 , 3 2 1 , 4 6 3
|_________
__
l
.LL
48
-445
F i g .
6 .
36
DETECTOR
-
8/16/2019 US patent 4321463 to inventor Samuel Stecher, entitled “Low Frequency Laser Detector for Musical Instrument, is…
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US, Patent M a r . 2 3 , 1 9 8 2
S h e e t 4
o f 4 4,321,463
F i g .
7 ’
66
\
I 6
/ 4
Y 2
1
\ / | 4
2
68 7o
\ l I
L A S E I ‘ Q
Fig
a 76
-
8/16/2019 US patent 4321463 to inventor Samuel Stecher, entitled “Low Frequency Laser Detector for Musical Instrument, is…
6/10
4 , 3 2 1 , 4 6 3
1
LOW FREQUENCY ‘LASER FIBEROPTIC
DETECTOR APPARATUS FOR MUSICAL
INSTRUMENTS AND
INTRUSION DETECTION
U . S . GOVERNMENT RIGHTS
P a r t
o f
t h e r e s e a r c h
t h a t
f o r m e d
t h e
b a c k g r o u n d
o f
t h i s i n v e n t i o n was
performed w h i l e t h e i n v e n t o r
was
an
employee
o f
t h e
U . S . A i r F o r c e a n d
t h e
U . S .
Govern—
ment
r e s e r v e s
a n o n - e x c l u s i v e , i r r e v o c a b l e , r o y a l t y - f r e e
l i c e n s e
t o
p r a c t i c e t h i s i n v e n t i o n
w i t h
power
t o
g r a n t
l i c e n s e s f o r a l l g o v e r n m e n t a l p u r p o s e s .
BACKGROUND
OF THE
INVENTION
1 . F i e l d of t h e Invention
The i n v e n t i o n r e l a t e s t o
low
f r e q u e n c y s e i s m i c / a
c o u s t i c
t r a n s d u c e r s i n g e n e r a l
a n d t o
m u s i c a l
i n s t r u
ments and l i n e
s e n s o r s
i n p a r t i c u l a r .
2 .
D e s c r i p t i o n o f t h e P r i o r
A r t
There a r e a
v a r i e t y o f
methods
known n
t h e p r i o r
a r t
f o r
p r o d u c i n g
a
m o d u l a t e d
e l e c t r i c a l
s i g n a l
p r o p o r
t i o n a l t o a
d i s t u r b a n c e . Such t e c h n i q u e s i n c l u d e m e t a l
“ e l e c t r o n i c ”
s t r i n g s ,
i n d u c t i v e p i c k - u p s o r . d e v i c e s
which
s e n s e t h e c h a n g e i n t h e
e l e c t r o n i c
p a r a m e t e r s
o f
a system suc h
a s
a
v a r i a t i o n i n
c a p a c i t a n c e . Such
de
v i c e s h a v e
p r o b l e m s
b o t h i n
t h e
m u s i c a l ? e l d
a s w e l l a s
i n t h e s e c u r i t y
? e l d . W h e n
s t e e l s t r i n g s a r e u s e d
on
m u s i c a l i n s t r u m e n t s t h e y u s u a l l y
s o u n d
t i n n y o r m e t a l l i c
i n p i t c h . T h i s
may produce a n “ e l e c t r i c
sound” wherein
t h e i n s t r u m e n t f r o m which
t h e
s o u n d
i s s u e s i s s e c o n d a r y
i n e f f e c t
t o
t h e m e t a l l i c s o u n d o f t h e s t r i n g s .
M e t a l
s t r i n g s o r s e n s o r s a s u s e d
i n t h e
s e c u r i t y
? e l d l o o s e
t h e i r
e f f e c t i v e n e s s o f t h e i r l o c a t i o n s
a r e
known. U n f o r t u
n a t e l y ,
m e t a l
s e n s o r s may e
d e t e c t e d
w i t h
s i m p l e
m e t a l
d e t e c t o r s
a s
c u r r e n t l y
a v a i l a b l e .
By
e m p l o y i n g ? b e r o p
t i c s
i n b o t h
t h e m u s i c a l and s e c u r i t y
? e l d s
t h e r e
a r e
c e r t a i n
u n i q u e
a d v a n t a g e s o b t a i n e d
n o t
t h e l e a s t o f
which
s c o s t .
I n t h e a p p l i c a t i o n
o f
m u s i c a l
i n s t r u m e n t s
t h e
s o u n d
d e t e c t e d i s
more
t r u l y r e p r e s e n t a t i v e
o f
t h e
i n s t r u m e n t i t s e l f d u e t o t h e ? e x i b i l i t y
o f
s i l i c o n . I f ? b e r
o p t i c s a s t a u g h t by t h i s i n v e n t i o n a r e
a p p l i e d
t o t h e
s e c u r i t y ? e l d t h e y w o u l d
b e v i r t u a l l y
u n d e t e c t a b l e d u e
to
their non-metallic
nature.
W h e r e
? b e r s a r e u s e d i n t h e p r i o r
a r t a s a c o u s t i c
t r a n s d u c e r s t h e y
h a v e g e n e r a l l y
n o t l e n t t h e m s e l v e s
w e l l
t o e i t h e r
m u s i c a l or s e c u r i t y
a p p l i c a t i o n s .
Such
t e c h n i q u e s
a r e d i s c u s s e d i n
U . S .
P a t . No. 3 , 9 2 0 , 9 8 2
i s s u e d t o H a r r i s and
n
U . S . P a t . No. 4 , 0 8 6 , 4 8 4 i s s u e d t o
S t e e n s m a .
According t o t h e
d i s c l o s u r e a
phonon-pho
t o n i n t e r a c t i o n p r o d u c e s a change
n
t h e
i n d e x o f r e f r a c
t i o n o f t h e ? b e r t h u s a l l o w i n g o p t i c a l e n e r g y t o e s c a p e
f r o m t h e ? b e r
which
s
m o d u l a t e d by t h e f r e q u e n c y o f
t h e a c o u s t i c wave. While t h e method works
w e l l f o r
m u l t i ~ p l e x i n g
b r o a d hand
n f o r m a t i o n o n t o
a c o n t i n u o u s
o p t i c a l c a r r i e r
i t d o e s n o t
work
w e l l i n t h e low f r e
quency r a n g e , t y p i c a l l y l e s s
t h a n
2 0 k i l o c y c l e s s u c h a s
r e q u i r e d
by e i t h e r a s e c u r i t y
s e n s o r
o r
i n
t h e c o n t e x t
of
a m u s i c a l i n s t r u m e n t s t r i n g .
The
p h o t o n - p h o n o n i n t e r
a c t i o n
d e p e n d s
upon
t h e
r a t i o o f t h e v e l o c i t y o f
s o u n d
a n d l i g h t i n t h e
medium
which a r e
t y p i c a l l y
i n t h e o r d e r
o f one t o one
m i l l i o n .
Thus a
photon
which s 1 0 5 t i m e s
more e n e r g e t i c t h a n a phonon can be c o n t r o l l e d
by
a
p h o n o n , r e q u r i n g f o r m o d u l a t i o n a n a c o u s t i c
wave
i n
t h e u l t r a s o n i c r e g i o n f a r b e y o n d t h e s o u n d
o f
a f o o t s t e p
or musical n o t e .
Other
a c o u s t o - o p t i c
t r a n s d u c e r s
s u c h
a s d e s c r i b e d i n
U . S .
P a t .
N o . 4 , 0 7 1 , 7 5 3 r e q u i r e t h a t t h e
? b e r
b e b r o k e n
a l o n g i t s
l e n g t h a n d t h a t
t h e
o p t i c a l
c o u p l i n g co e f ? c i e n t
1 0
3 5
40
4 5
6 0
6 5
2
( a m e a s u r e ’ o f
t h e a l i g n m e n t o f
two
? b e r s )
b e m o d u l a t e d
by t h e
v i b r a t i o n
o f
t h e
j o i n t . I n a n e f f e c t i v e
m u s i c a l
i n s t r u m e n t
s t r i n g
i t
i s n e c e s s a r y f o r t h i s ? b e r t o
r e m a i n
t a u g h t a n d v i b r a t e
a r o u n d a re s o n a t e
f r e q u e n c y d e t e r
m i n e d
b y t h e l e n g t h , d e n s i t y o f t h e m a t e r i a l a n d t e n s i o n
i n t h e ? b e r .
C l e a r l y
a n y b r e a k i n t h e
? b e r
would e f f e c t
t h e
h a r m o n i c
q u a l i t i e s
t h a t
a r e
d e s i r e d .
L i k e w i s e
i n
a n
e f f e c t i v e
s e c u r i t y l i n e t y p e s e n s o r i t i s d e s i r a b l e
f o r
t h e
t r a n s d u c e r t o b e a c t i v e t h r o u g h o u t i t s
e n t i r e
l e n g t h . A
dead
s e c t i o n
c o u l d r e p r e s e n t a weakness and would n o t
b e t o l e r a b l e .
A i n e s e n s o r o p e r a t i n g on t h e
p r i n c i p l e
o f
a
m o d u l a t e d c o u p l i n g c o e f ? c i e n t
would
r e q u i r e f a r
t o o
many
b r e a k s
over
t h e
d e s i r e d 1 0 0 meter range and
t h e r e f o r e s e v e r e l y
l i m i t
t h e t o t a l amount o f
l i g h t r e
c e i v e d b y
t h e d e t e c t o r .
The
r e s e n t i n v e n t i o n
c o n t e m p l a t e s t h e u s e o f
a
l a s e r
and a n o p t i c a l
? b e r
b u t d o e s n o t r e l y
on
a photon-pho
n o n
n t e r a c t i o n nor
o n a modulated
coupling
coef?cient
t o p r o d u c e a m o d u l a t i o n i n
t h e o u t p u t
p o w e r . I n s t e a d ,
t h e d i s c l o s e d i n v e n t i o n r e q u i r e s a m e c h a n i c a l
d i s t u r
bance
o f
t h e
?ber s u c h
a s t h a t
c a u s e d
by
t h e
r e s o n a n c e
o f
t h e
?ber under t e n s i o n a s might b e found on
a
m u s i c a l
i n s t r u m e n t
o r a s
c a u s e d
by i t s v i b r a t i o n
i n
sympathy
w i t h
t h e
s u r r o u n d i n g g r o u n d a s m i g h t b e
f o u n d
i n r e
s p o n s e
t o
a n
i n t r u d e r ’ s f o o t s t e p . The c o h e r e n t o p t i c a l
s i g n a l when t r a n s m i t t e d a l o n g
t h e
? b e r
b r e a k s
up n t o a
l a r g e
number
o f i n d i v i d u a l
r a y s .
Each r a y s e e k s i t s o w n
p a t h
a l o n g
t h e ? b e r . For e x a m p l e , o u t o f a b u n d l e o f
r a y s t h e r e m i g h t b e
t w o ,
A n d B r e s p e c t i v e l y . The
r e l a t i v e p a t h l e n g t h
b e t w e e n
r a y
A
n d r a y B p r o d u c e s
a n
i n t e r f e r e n c e p a t t e r n i n
t h e
o u t p u t o f t h e ? b e r . As t h e
? b e r
i s
d i s t u r b e d t h e
i n t e r f e r e n c e
p a t t e r n c h a n g e s d u e
t o
t h e c h a n g e
i n
t h e
r e l a t i v e p a t h
l e n g t h
o f
t h e r a y s
a s
t h e y
t r a v e l
t h e l e n g t h o f t h e ? b e r . A q u a r e
l a w
power
d e t e c t o r
i s
u s e d
t o d e t e c t
t h i s
c h a n g e
i n
t h e
i n t e r f e r e n c e
p a t t e r n . T h i s
c h a n g e
i s d e t e c t e d
asa m o d u l a t i o n
o f t h e
o u t p u t
power
due
t o
t h e wave n a t u r e o f t h e
l i g h t a s
d i s c u s s e d
by A .
McLean
N i c h o l s o n
i n
U . S . P a t .
N o .
1 , 9 5 1 , 5 2 3 .
SUMMARY OF
THE
INVENTION
B r i e ? y
d e s c r i b e d
t h e i n v e n t i o n i n c l u d e s a s o l i d s t a t e
l a s e r o r
o t h e r
s u i t a b l e
s o u r c e o f c o h e r e n t l i g h t , a l e n g t h
o f ? b e r o p t i c a l
m a t e r i a l ,
a
s q u a r e
law d e t e c t o r
f o r
mea
s u r i n g t h e
l i g h t
t r a n s m i t t e d
t h r o u g h
t h e
? b e r a n d a n
a m p l i ? e r
a n d s p e a k e r .
The m o u n t i n g o f
t h e
s t r i n g s i n
t h e
c o n t e x t o f a
m u s i c a l i n s t r u m e n t
depends o f c o u r s e
u p o n t h e n a t u r e o f t h e i n s t r u m e n t ( g u i t a r , v i o l i n ,
p i a n o ,
e t c . ) .
The
d e v i c e u s e d
t o
a p p l y
t e n s i o n
t o
t h e
s t r i n g s
s h o u l d n o t
b e s u c h a s t o r e q u i r e t h a t t h e ? b e r
b e s h a r p l y
b e n t o r crimped n any way.
A
o v e l
way
o
a c c o m p l i s h
t h i s e n d i s t o employ a r a c k a n d
p i n i o n
t y p e t u n i n g
mechanism
a s
d e s c r i b e d
l a t e r o n .
T h i s n o v e l
con?gura
t i o n
d o e s
n o t r e q u i r e t h e
?ber
t o
be
e n t
around
a peg n
t h e c o n v e n t i o n a l f a s h i o n
w h i c h
n o r m a l l y w o u l d i m p e d e
t h e
t r a n s m i s s i o n o f
o p t i c a l r a d i a t i o n .
P r e f e r a b l y t h e
c o n n e c t i n g
j o i n t s s h o u l d b e
s t r o n g e n o u g h
t o
w i t h s t a n d
t h e
n o r m a l
f o r c e s e x p e r i e n c e d by t h e
s t r i n g s
o f a m u s i
c a l i n s t r u m e n t . The male end i s a f ? x e d t o t h e i n s t r u
m e n t . S i n c e t h e ? b e r o p t i c
m a t e r i a l t r a n s m i t s e n e r g y i n
b o t h
d i r e c t i o n s i t
may
be r e v e r s e d .
S t r o n g
? b e r s a r e
p r e f e r a b l y
i n
u s e
i n
o r d e r
t o
w i t h s t a n d t h e a b u s e o f
c o n s t a n t
p l a y .
F o r
v a r i o u s
d i f f e r e n t
o t h e r f r e q u e n c y
r e q u i r e m e n t s i t
may e
n e c e s s a r y t o
a l t e r
o t h e r p h y s i c a l
c h a r a c t e r i s t i c s
o f t h e
s t r i n g s .
For e x a m p l e a c h a n g e
i n
t h e d e n s i t y
o f
t h e
s t r i n g
m a t e r i a l
o r
a j a c k e t i n g
o f
t h e
s t r i n g w i t h a n o t h e r
m a t e r i a l
c o u l d h a v e d e s i r a b l e
a f
-
8/16/2019 US patent 4321463 to inventor Samuel Stecher, entitled “Low Frequency Laser Detector for Musical Instrument, is…
7/10
4 , 3 2 1 , 4 6 3
3
f e c t s .
The a m p l i ? e r c i r c u i t s h o u l d
n a t u r a l l y
b e
made o
p r o v i d e
t h e
d e s i r e d o u t p u t
power r e q u i r e d
a n d
s h o u l d
a l s o i n c l u d e t o n e
c o n t r o l
t o a f f e c t
t h e
d e s i r e d m o o d a s
p r e s e n t l y p r o v i d e d b y m o s t c o n v e n t i o n a l e l e c t r o n i c
g u i t a r
a m p l i ? e r s .
The o u t p u t o f
t h e d e t e c t o r
c a n b e
made o m a t c h e x i s t i n g e q u i p m e n t i n t h a t r e g a r d .
For
t h e s e c u r i t y
s e n s o r
i t
may
e
d e s i r a b l e
t o
p r o v i d e
h e a v y c l a d i n g
c o m e n s u r a t e w i t h
v a r i o u s
e n v i r o n m e n t a l
c o n d i t i o n s
s o a s t o
p r o t e c t
t h e l i f e
o f t h e
t r a n s d u c e r .
H o w e v e r ,
t h e
c l a d i n g s h o u l d n o t
d e t r i m e n t a l l y
e f f e c t
t h e r e s p o n s e o f t h e
? b e r t o
a d i s t u r b a n c e .
A e ? o n
®
j a c k e t
c o u l d
be
s u f ? c i e n t . T y p i c a l l y
l i n e
s e n s o r s a r e
b u r i e d between
1 8
and
3 6 i n c h e s
b e n e a t h
t h e s o i l t o
be
o p t i m a l l y r e s p o n s i v e t o d i s t u r b a n c e s up t o t e n f e e t on
e i t h e r
s i d e and t o p r o t e c t t h e
t r a n s d u c e r
from
t h e e f f e c t s
o f f r o s t . The o u t p u t s i g n a l from t h e
l i n e
s e n s o r
c a n b e
m a d e c o m p a t i b l e w i t h
e x i s t i n g
p r o c e s s i n g h a r d w a r e .
S u c h
p r o c e s s i n g h a r d w a r e
i s
r e s p o n s i b l e f o r d i s c r i m i
n a t i n g between a v a l i d i n t r u d e r a n d v a r i o u s n u i s a n c e s .
T h i s i s
n e c e s s a r y
s o
t h a t a n a l a r m
i s
sounded o n l y when
j u s t i ? c a t i o n
e x s i s t s
a n d
much
work
h a s
b e e n p e r f o r m e d
i n t h i s ? e l d
and t i s
n o t w i t h i n
t h e
s c o p e
o f
t h i s
i n v e n
t i o n
t o
i m p r o v e u p o n t h o s e p r o c e s s i n g
t e c h n i q u e s .
R a t h e r
t h e
a p p a r a t u s
o f
t h i s
i n v e n t i o n i s
a d a p t e d t o
p r o v i d e e x i s t i n g e q u i p m e n t
w i t h
i m p r o v e d i n f o r m a t i o n
r e g a r d i n g t h e r e s p o n s e
o f t h e s u r r o u n d i n g s o i l t o a n
i n t r u d e r b y p r o d u c i n g a m o d u l a t e d
s i g n a l
w h i c h c l o s e l y
f o l l o w s i n a m p l i t u d e
a n d
f r e q u e n c y
t h e
d i s t u r b a n c e
i t s e l f .
BRIEF
DESCRIPTION OF THE DRAWINGS
FIG.
1 i s
a
s c h e m a t i c
r e p r e s e n t a t i o n o f
t h e i n v e n t i o n
a s
f o u n d
i n t h e c o n t e x t
o f
a
g u i t a r
s t r i n g showing one
l a s e r
d i o d e a n d o n e d e t e c t o r
p e r ? b e r o p t i c
s t r i n g .
FIG. 2A i s a n
e l e c t r i c a l
s c h e m a t i c i l l u s t r a t i n g t h e
t r a n s m i t t i n g
e n d
o f t h e a p p a r a t u s s h o w i n g s i x ? b e r s
b e i n g f e d b y
a
s i n g l e c o h e r e n t l i g h t s o u r c e .
FIG.
2B i s a n e l e c t r i c a l
s c h e m a t i c o f
t h e
r e c e i v i n g
e n d
o f
t h e i n v e n t i o n showing s i x ? b e r s f e e d i n g
one
d e t e c t o r
d i o d e .
FIG. 3 i s a
b l o c k diagram
l l u s t r a t i n g t h e
i n v e n t i o n
i n
the
context
o f a musical instrument.
F I G . 4A l l u s t r a t e s a g u i t a r
which
e m p l o y s t h e t e a c h
i n g o f t h i s i n v e n t i o n .
FIG.
4B
s
a
p a r t i a l c r o s s - s e c t i o n o f t h e g u i t a r
i l l u s
t r a t e d i n
FIG. 4A.
FIG. 5A s a
d e t a i l o f
t h e b a c k
o f
t h e t o p
o f
t h e g u i t a r
i l l u s t r a t i n g t h e manner i n which
c o h e r e n t
l i g h t i s f e d
i n t o t h e g u i t a r s t r i n g s .
2 0
2 5
4 5
FIG.
5B
i s
a
c r o s s - s e c t i o n a l diagram o f
a
d e t a i l o f 5 0
F I G .
5A s h o w i n g t h e
m e c h a n i s m b y w h i c h
t h e s t r i n g s
may
be
t u n e d o n
a r a c k
and p i n i o n
d e v i c e ,
FIG. 5C
s a p r o ? l e o f
t h e mechanism
i l l u s t r at e d i n
FIG. 5 B .
FIG. 6 i l l u s t r a t e s t h e b a s i c t e a c h i n g o f t he i n v e n t i o n
i n
t h e embodiment o f a n
i n t r u s i o n
d e t e c t i o n s y s t e m .
FIG. 7 i s a s c h e m a t i c r e p r e s e n t a t i o n o f
a modulated
b e n d i n g l o s s i n t r u s i o n d e t e c t i o n s y s t e m .
FIG. 8 i s
a n
a l t e r n a t i v e embodiment o f t h e i n v e n t i o n
i n which a n
i n t r u s i o n d e t e c t i o n
s y s t e m o r
g u i t a r may
be
o p e r a t e d
b a s e d u p o n
t h e p h o t o e l a s t i c e f f e c t
o f
t h e o p t i
c a l
? b e r .
DETAILED
DESCRIPTION
OF
THE
INVENTION
During t h e c o u r s e o f
t h i s
d e s c r i p t i o n l i k e numbers
w i l l b e u s e d t o i n d i c a t e l i k e e l e m e n t s i n t h e
d i f f e r e n t
? g u r e s w h i c h i l l u s t r a t e
t h e i n v e n t i o n .
6 0
6 5
4
A p e c i ? c p r e f e r r e d e m b o d i m e n t o f t h i s i n v e n t i o n i s
shown n FIGS.
1 - 5 C .
The
y s t e m
1 0 i s
i l l u s t r a t e d
i n t h e
c o n t e x t
o f a g u i t a r
and
i n c l u d e s t h e f o l l o w i n g a c t i v e
e l e m e n t s : a
s i n g l e
s o l i d s t a t e l a s e r 1 2 , a n e l o n g a t e d o p t i
c a l
? b e r
s t r i n g 1 4 , a d e t e c t o r e l e m e n t 1 6 and
a n
o p e r a
t i o n a l a m p l i ? e r
1 8 ( s h o w n
i n
F I G . 3 ) . I n
F I G .
1
e a c h
s t r i n g
1 4 h a s
a n
i n d i v i d u a l
l a s e r
1 2
and
d e t e c t o r
1 6 .
The
s t r i n g s 1 4 a r e p l a y e d by a m u s i c i a n
2 0
i n t h e
conven
t i o n a l
m a n n e r . T h a t p r o v i d e s t h e m o d u l a t i n g
i n p u t t o
t h e s t r i n g s
1 4 .
T h e
t r a n s m i t t i n g
2 8 a n d r e c e i v i n g 2 6 e n d s
o f t h e
s t r i n g s
1 4 a r e ?rmly f a s t e n e d
t o
t h e body
o f
t h e
g u i t a r 2 2 . The
g u i t a r
b o d y
2 2 i s i l l u s t r a t e d g e n e r a l l y i n
FIGS.
4A nd
4B and more s p e c i ? c a l l y i n t h e
d e t a i l s
o f
FIGS.
5 A
n d 5 B .
W h i l e
a g u i t a r
2 2
( a s shown n
FIGS.
4A
a n d
4 B ) i s t h e p r e f e r r e d
embodiment o f
t h e i n v e n
t i o n i t w i l l
b e
a p p r e c i a t e d t h a t
t h e
same e f f e c t s may
b e
o b t a i n e d
on
o t h e r
i n s t r u m e n t s
s u c h a s v i o l i n s ,
p i a n o s
a n d t h a t
n o s p e c i a l
i n s t r u c t i o n i s n e c e s s a r y f o r t h e
m u s i
c i a n 2 0 i n
o r d e r
t o a p p l y
a p p l i c a n t ’ s
i n v e n t i o n .
The s o l i d s t a t e t r a n s m i t t i n g l a s e r
1 2 o f FIG.
2A p r o
v i d e s t h e
c o h e r e n t
o p t i c a l r a d i a t i o n t h a t
f o r m s
t h e i n p u t
t o b u n d l e 1 5 o f
o p t i c a l
? b e r s 1 4 . The ? b e r b u n d l e 1 5
t r a n s m i t s
t h e
l i g h t e n e r g y 2 4 t o
t h e i n d i v i d u a l
s t r i n g s 1 4 .
The m u s i c i a n 2 0
p r o v i d e s
t h e m e c h a n i c a l m o d u l a t i o n
a c c o r d i n g t o t h e m u s i c t h a t h e
i s r e q u i r e d
t o p l a y . The
m u s i c i a n s
a c t i o n s r e s u l t i n a m o d u l a t i o n o f t h e m u l t i
p a t h
i n t e r f e r e n c e p a t t e r n a t
t h e
o u t p u t 2 8 o f
t h e s t r i n g s
1 4 .
The o u t p u t p a t t e r n i s t h e n a t u r a l
r e s u l t o f p r o p a g a t
i n g c o h e r e n t o p t i c a l r a d i a t i o n 2 4 a l o n g
t h e ? b e r s 1 4 .
A
m e c h a n i c a l d i s t u r b a n c e , s u c h
a s
c r e a t e d b y m u s i c i a n 2 0 ,
c a u s e s
t h e
p a t t e r n
t o
c h a n g e .
The
c h a n g e which p r o
d u c e s t h e m o d u l a t i o n i n t h e
o u t p u t
o f t h e d e t e c t o r d i o d e
D 1 s
A . C .
c o u p l e d v i a
a
c a p a c i t o r C1 t o a n o p e r a t i o n a l
a m p l i ? e r
T 1 .
The r a t i o o f r e s i s t o r s R4 o R5 p r o v i d e s
t h e n e c e s s a r y g a i n
t o
t h e
s i g n a l
w h i c h
i s a g a i n
A . C .
c o u p l e d v i a c a p a c i t o r C2 t o t h e o u t p u t
o f
t h e i n s t r u
ment.
R e s i s t o r
R1 o f FIG.
2A
s
n e c e s s a r y
t o p r o v i d e a 2
v o l t drop a c r o s s t h e l a s e r d i o d e L1 1 2 ) .
Th e e s i s t o r
R2
of FIG. 2B s n e c e s s a r y i n o r d e r t o
p l a c e
photodiode D1
i n t h e
p r o p e r
o p e r a t i n g
r a n g e f o r
t h e d e s i r e d a u d i o
f r e q u e n c y
r e s p o n s e , t h u s m a x i m i z i n g t h e p o w e r o u t p u t
f r o m t h e d i o d e
D 1
o r a g i v e n o p t i c a l
power
n p u t f r o m
t h e l a s e r
L 1 .
The
l e m e n t s i l l u s t ra t e d i n
FIGS.
2A nd 2B have
t h e
f o l l o w i n g v a l u e s :
Element
Value
R1 6 0
ohms
R2
1 0 0 K
hms
R3 1 0 K hms
R4 1 0 0 K hms
R5
1 0 K
hms
Cl . 5
m i c r o f a r a d s
C2 m i c r o f a r a d
Tl Model
7 4 l o p e r a t i o n a l
a m p l i ? e r
Ll
Model
C30l30
Dl
Model
SGDIOOA
e t e c t o r
The d e v i c e s i l l u s t r a t e d i n FIGS. 2A a n d 2B a r e n o t
i n t e n d e d
t o l i m i t
t h e
i n v e n t i o n t o any p a r t i c u l a r
c i r
c u i t r y .
The p u r p o s e o f
t h e s e
? g u r e s
i s
t o d e m o n s t r a t e t o
t h o s e
s k i l l e d i n
t h e
a r t
how
t h e
b a s i c
t e a c h i n g
o f
t h e
i n v e n t i o n
can
b e
reduced
t o p r a c t i c e
i n a v a r i e t y
o f
u s e f u l e m b o d i m e n t s .
Galium A r s e n i d e l a s e r L1 i r e c t s i t s l i g h t 2 4 i n t o ? b e r
b u n d l e
1 3 which i s
j u s t o n e
o f
s i x o p t i c a l s t r i n g s
1 4
i n
-
8/16/2019 US patent 4321463 to inventor Samuel Stecher, entitled “Low Frequency Laser Detector for Musical Instrument, is…
8/10
4 , 3 2 1 , 4 6 3
5
t h e g u i t a r
2 2 i l l u s t r a t e d i n
FIGS.
4A a n d
4 B .
Each
s t r i n g 1 4 i s m e c h a n i c a l l y m o d u l a t e d by m u s i c i a n 2 0 t o a
d e s i r e d f r e q u e n c y
which r e s u l t s
i n
m o d u l a t i o n
i n
t h e
d e t e c t a b l e
o u t p u t power
r e c e i v e d
by
e t e c t o r d i o d e D1
d u e
t o
t h e
m u l t i - p a t h
i n t e r f e r e n c e
p h e n o m e n o n . The
o p t i c a l m o d u l a t i o n
i m p o s e d
o n t h e l i g h t 2 4 i s c o n v e r t e d
i n t o
e l e c t r i c a l
m o d u l a t i o n
d u e
t o
t h e p r e s e n c e o f
p h o t o
d i o d e D 1 . The n ow m o d u l a t e d e l e c t r i c a l s i g n a l i s
p r e
a m p l i ? e d b y a m p l i ? e r 1 8 a n d i s t h e n
s u i t a b l e
f o r o u t p u t
i n t e r f a c i n g w i t h a c o n v e n t i o n a l g u i t a r
a m p l i ? e r . The
o u t p u t i s c o n n e c t e d t o
a n
o r d i n a r y g u i t a r
a m p l i ? e r
a n d
s p e a k e r s y s t e m o r
t o
a r e c o r d i n g
s y s t e m o r o t h e r s i m i l a r
d e v i c e .
The
a c o u s t i c e n e r g y
g e n e r a t e d b y t h e
h a r o m o n i c
c o u p l i n g o f m u s i c i a n a n d
i n s t r u m e n t
i s c o n v e r t e d ? r s t
t o an o p t i c a l modulation v i a
t h e
l a s e r
and
multi-mode o r
s i n g l e i n d e x
? b e r - s t r i n g ,
t h e n
t o a n
e l e c t r i c a l
s i g n a l v i a
p h o t o d i o d e d e t e c t o r D1 a n d
s u b s e q u e n t l y
p r e a m p l i ? e d
b y
p r e a m p l i ? e r
1 8 . T h e
o u t p u t
s i g n a l
f r o m
p r e a m p l i ? e r
1 8
i s s u c h t h a t
f u r t h e r m a n i p u l a t i n g
can b e accom
p l i s h e d ,
i f
d e s i r e d ,
t o
m o d i f y
t h e
t o n a l
a n d
v i b r a t o
c h a r
a c t e r i s t i c s
o f
t h e
i n s t r u m e n t .
The
i n v e n t i o n
i s
n o t l i m i t e d
t o
t h e
s p e c i ? c
s i n g l e
l a s e r / d e t e c t o r
s y s t e m shown i n
t h e
d r a w i n g s , b u t
would
a l s o
comprehend
a n embodiment n which
e a c h
? b e r
s t r i n g
had i t s o w n
laserand
d e t e c t o r and t o n e
c o n t r o l
a s
i n FIG. 1 .
T h i s
a l t e r n a t i v e embodiment may
b e
d e s i r a b l e
b e c a u s e o f
t h e ? e x i b i l i t y
g i v e n t o
t h e
m u s i
c i a n a n d
w o u l d b e
p r a c t i c a l
i f p r o d u c t i o n t e c h n i q u e s
a l l o w
t h e
p r i c e o f s o l i d s t a t e c o n t i n u o u s power a s e r s t o
d e c l i n e .
The i n v e n t i o n
a l s o ,
t h o u g h n o t s p e c i ? c a l l y
d e t a i l e d ,
c o m p r e h e n d s
p u l s e l a s e r s y s t e m s
p r o v i d e d ,
o f
c o u r s e , t h a t t h e p u l s e r e p e t i t i o n
r a t e
i s h i g h e n o u g h t o
a l l o w p r o p e r ? l t e r i n g
f r o m
t h e a u d i o
r a n g e . ‘ S u c h
a n
a p p r o a c h
may
r e s u l t
i n
a
l o w e r
c o s t
s y s t e m .
Th e r e s e n t i n v e n t i o n
i s
f u r t h e r
n o t
l i m i t e d t o t h e u s e
o f
a s e r s
i n g e n e r a l b u t i s u n d e r s t o o d t o i n c l u d e v i r t u a l l y
a l l s o u r c e s o f
o p t i c a l
r a d i a t i o n which
have
a c o h e r e n c e
l e n g t h
s u f ? c i e n t t o
a l l o w
t h e m u l t i - p a t h i n t e r f e r e n c e
phenomenon t o o c c u r a t t h e
o u t p u t
2 8
o f
t h e ? b e r 1 4 .
F o r
e x a m p l e ,
a n
LED
L i g h t
E m i t t i n g
D i o d e ) w i t h a
c o h e r e n t l e n g t h o f a
few
c e n t i m e t e r s c o u l d
b e s u b s t i
t u t e d f o r a
l a s e r
i n e i t h e r t h e c o n t i n o u s
power
o r p u l s e
modes
o f
o p e r a t i o n .
The
i n v e n t i o n
c a n
a l s o
comprehend t h e
u s e o f h i g h
t e m p e r a t u r e c o h e r e n t l i g h t s o u r c e s i f m e a n s , s u c h a s
c o o l i n g
d e v i c e s , c a n
b e u s e d t o s t a b i l i z e t h e o u t p u t .
M o r e o v e r ,
t h e r e may e f e e d b a c k t e c h n i q u e s which a n
b e
u s e d
t o
p r o v i d e
s t a b i l i t y
f o r
h i g h t e m p e r a t u r e
c o h e r
e n t
l i g h t
g e n e r a t o r s a n d t h o s e
t o o
may b e
a c c e p t a b l e
s u b s t i t u t i o n s u n d e r c e r t a i n
c i r c u m s t a n c e s .
P h y s i c a l d e t a i l s
o f
t h e
g u i t a r
a r e shown
i n
FIGS.
4A-5C.
A y p i c a l g u i t a r 2 2 i n c l u d e s
a
body o r box 3 0
and a neck
3 2 a t t a c h e d
t o
t h e body 3 0 . The s t r i n g s 1 4
a r e a n c h o r e d t o t h e body by a n
a n c h o r i n g
d e v i c e
3 4 .
The
t h e r e n d
o f t h e
s t r i n g
i s a t t a c h e d
t o t e n s i o n k n o b s
3 6 a t
t h e t o p o f t h e
n e c k 3 2 .
A r i d g e 3 8 s e t s t h e h e i g h t
o f t h e s t r i n g s 1 4 a b o v e t h e n e c k 3 2 . F i n g e r i n g f r e t
4 0
a l l o w s t h e
m u s i c i a n
2 0 t o ?nger t h e
s t r i n g s
i n
t h e con
v e n t i o n a l
m a n n e r . The g u i t a r body 3 0 u s u a l l y
i n c l u d e s
a t l e a s t
one sound
h o l e
42
which a l l o w
t h e
sound on t h e
i n t e r i o r
o f t h e g u i t a r
t o
e s c a p e . The p t i c a l d e t e c t o r s
1 6
a r e l o c a t e d
n e a r
anchoring
d e v i c e
3 4 .
F I G . 4B i s a p a r t i a l c r o s s - s e c t i o n a l d i a g r a m o f t h e
g u i t a r
i l l u s t r a t e d i n F I G . 4 A . The p r e a m p l i ? e r 1 8 i s
p r e f e r a b l y
h o u s e d
w i t h i n t h e
body
3 0 s o t h a t i t d o e s n ’ t
i n t e r f e r e
w i t h
t h e m u s i c i a n 2 0 . I t s o u t p u t i s c o n n e c t e d
t o
a
j a c k
4 4
which i s
e l e c t r i c a l l y
a n d m e c h a n i c a l l y com
2 0
2 5
3 0
3 5
4 5
5 0
5 5
6 0
6 5
6
p a t i b l e
w i t h
c o n v e n t i o n a l
p r i o r
a r t g u i t a r a m p l i f y i n g
s y s t e m s . A c c o r d i n g t o t h e
p r e f e r r e d e m b o d i m e n t o f
t h e
i n v e n t i o n r e l e a s a b l e c o n n e c t o r s 46 may
be
u s e d t o a t
t a c h new s t r i n g s 1 4
t o
t h e e x i s t i n g t r a n s m i t t e r a n d
d e
t e c t o r
m e c h a n i s m s .
The i g h t
e m i t t i n g
l a s e r 1 2
i s p r e f e r
a b l y l o c a t e d on
t h e
back s i d e
o f t h e
neck
3 0 i n o r d e r
t o
k e e p
i t o u t o f
t h e
way
o f
t h e m u s i c i a n .
D e t a i l s
o f
t h e
u p p e r n e c k o f t h e g u i t a r a r e shown
i n
F I G S .
5 A , 5 B ,
a n d 5 C .
The c o n n e c t o r s 4 6 , ? b e r
s t r i n g s
1 4
a r e
c o n n e c t e d
t o and c a r r i e d by
r a c k 4 8 . The t r i n g s ,
of
c o u r s e , have
a ?ber core
which allow t r a n s m i t t a l
of
t h e
o p t i c a l s i g n a l 2 4
f r o m
t h e l a s e r
1 2 .
Rack 4 8 i s ? t t e d
i n t o a groov e
45
i n t h e
g u i t a r
i n
such
a manner
a s
t o
a l l o w
backward a n d f o r w a r d m o t i o n . A i n i o n g e a r 5 0
i n c l u d e s a s h a f t 5 8
which
s anchored t o t h e neck
32
o f
t h e
g u i t a r
b y b r a c k e t
5 4
a n d t h e p i n i o n g e a r 5 0 o n l y
p r o v i d e s
r o t a r y
m o t i o n
t o d r i v e t h e
r a c k
4 8
b a c k w a r d
and
f o r w a r d .
S h a f t 5 8 i s r e c e i v e d
i n a s l o t 5 2
which i s
s e t i n
m o u n t i n g
b r a c k e t 5 4 . A p r i n g - l o a d e d d r a g s h o e
6 1
i s a d a p t e d t o e n g a g e
b r a c k e t
5 4 a n d h o l d p i n i o n
g e a r
5 0
a n d
r a c k
4 8
i n
p o s i t i o n
d u r i n g
p l a y
o f
t h e i n s t r u m e n t .
T h u m b p r e s s u r e a p p l i e d t o knob 3 6 i s s u f ? c i e n t t o r e
l e a s e t h e
b r a k e m e c h a n i s m
i f r e t u r n i n g
i s
r e q u i r e d . F I G .
5C l l u s t r a t e s i n c r o s s - s e c t i o n a l p r o ? l e how t h e knob
3 6
i s
c o n n e c t e d t o
p i n i o n
g e a r
5 0 v i a
a s h a f t
5 8 a n d l o a d i n g
s p r i n g 6 0 .
The b e r 1 4
l e a d i n g f r o m
l a s e r 1 2 i s m e c h a n i c a l l y a n d
a n i n t e g r a l p a r t
o f r a c k
4 8 .
S t r i n g 1 4
i s mounted t o
t h e
r a c k
v i a c o n n e c t o r 4 6
t h e r e b y
r e t a i n i n g
o p t i c a l
c o n t i n u
i t y from l a s e r 1 2
t o
d e t e c t o r 1 6 . C o n n e c t o r s
s u c h
a s
t h o s e
i l l u s t r a t e d a s e l e m e n t s
46
a r e k n ow n t o t h o s e of
o r d i n a r y s k i l l
i n
t h e a r t .
The
r a c k
a n d
p i n i o n t u n e r
shown i n d e t a i l
i n FIGS.
5A-5C s
i n c l u d e d
f o r t h e
p u r p o s e
o f
d e s c r i b i n g
a
p r e
f e r r e d
means
f o r
t u n i n g
a n
i n s t r u m e n t
w i t h o u t
d i s t o r t
i n g t h e ? b e r u n n e c e s s a r i l y
a n d i s i n c l u d e d b y
way o f
e x a m p l e
o n l y .
I t i s p o s s i b l e
t h a t
t h e r e a r e o t h e r means
t h a t may be u s e d t o a c h i e v e
t h e
same p u r p o s e .
Power t o t h e s y s t e m c a n b e s u p p l i e d t h r o u g h t h e u s e
o f
b a t t e r i e s ,
s o l a r
c e l l s , o r a r e g u l a t e d D . C .
s u p p l y
o r
s i m i l a r s o u r c e s known
t o t h o s e o f o r d i n a r y
s k i l l
i n t h e
a r t . I t
i s
a l s o
p o s s i b l e
t h a t
o t h e r d e v i c e s may b e e m
p l o y e d t o s u b s t i t u t e f o r
t h e d e t e c t o r
c i r c u i t
i l l u s t r a t e d i n
F I G . 2 B . O t h e r s u c h m e t h o d s a n d a p p a r a t u s
would
p o s s i b l y i n c l u d e
e m p l o y i n g
i n d i v i d u a l i n s t r u m e n t a t i o n
a m p l i ? e r s , i n d i v i d u a l i n p u t
l a s e r s
o f d i f f e r e n t f r e q u e n
c i e s
a n d m a t c h i n g d e t e c t o r s .
The
m e c h a n i c a l
p r o p e r t i e s
o f
t h e ? b e r 1 4 a r e i m p o r
t a n t
i n
d e t e r m i n i n g
‘ t h e
f r e q u e n c y
o f
v i b r a t i o n
o f
t h e
? b e r i t s e l f
w h i c h i n t u r n s
p r o d u c e s t h e m u l t i - p a t h i n t e r
f e r e n c e p a t t e r n
a n d t h e
a s s o c i a t e d
m o d u l a t i o n
o f t h e
o u t p u t p o w e r .
Hence
t i s n e c e s s a r y
t o
e m p l o y s t r i n g s
1 4 which have
a
f u n d a m e n t a l
mode
o f v i b r a t i o n a t d i f
f e r e n t
d e s i r e d
f r e q u e n c i e s .
To a c c o m p l i s h t h i s e n d e a c h
s t r i n g h a s
a c r o s s - s e c t i o n a l a r e a , d e n s i t y ,
a n d l e n g t h
s u f ? c i e n t t o
a c h i e v e t h e
d e s i r e d
f r e q u e n c y
u n d e r a
g i v e n t e n s i o n p r o v i d e d b y
t h e
r a c k a n d p i n i o n t u n e r
m e c h a n i s m .
F o r
e x a m p l e , u p t o 8 8 d i f f e r e n t s t r i n g s
would
b e
r e q u i r e d
i f t h e
t e a c h i n g o f
t h e
i n v e n t i o n were
a p p l i e d t o a n o p t i c a l p i a n o . S i x s t r i n g s w o u l d , o f c o u r s e ,
b e r e q u i r e d f o r a c o n v e n t i o n a l g u i t a r . A c c o r d i n g t o t h e
p r e f e r r e d embodiment
a c h
s t r i n g
c o u l d
b e
made
w i t h a
u n i f o r m
? b e r
a n d
j a c k e t e d w i t h d i f f e r e n t a m o u n t s
a n d
t y p e s o f c l a d i n g
i n
o r d e r t o p r o v i d e t h e d e s i r e d
m a s s /
d e n s i t y , l e n g t h a n d t e n s i o n . U n i f o r m i t y i n
? b e r w o u l d
p r o v i d e
u n i f o r m i t y
i n power m o d u l a t i o n
w h e r e a s
d i f
f e r e n c e s
i n c l a d i n g w o u l d p r o v i d e
f o r
d i f f e r e n c e s i n
t o n a l
f r e q u e n c y
g e n e r a t e d b y t h e m u s i c i a n i . e . t h i c k
-
8/16/2019 US patent 4321463 to inventor Samuel Stecher, entitled “Low Frequency Laser Detector for Musical Instrument, is…
9/10
4 , 3 2 1 , 4 6 3
7
s t r i n g s
w o u l d
b e
p r o v i d e d
f o r l o w n o t e s , t h i n
s t r i n g s f o r
h i g h
n o t e s ) .
S e v e r a l
? b e r s
h a v e b e e n
c o m m e r c i a l l y d e v e l o p e d
f o r
many i f f e r e n t a p p l i c a t i o n s . These i n c l u d e
? b e r s w i t h
a
s i n g l e i n d e x o f r e f r a c t i o n , s t e p i n d e x o f
r e f r a c t i o n
a n d
t h e s o - c a l l e d g r a d e d i n d e x o f r e f r a c t i o n ? b e r . The p u r
p o s e o f v a r y i n g
t h e
i n d e x o f
r e f r a c t i o n
a l o n g
t h e
r a d i u s
o f t h e
? b e r
i s t o p r e v e n t l i g h t f r o m e s c a p i n g f r o m t h e
? b e r w a l l s , t h u s
d e c r e a s i n g
t h e
amount
o f
a t t e n u a t i o n
p e r m e t e r .
For t h e
purpose o f
t h i s
i n v e n t i o n and t o
m a x i m i z e
t h e
e f f e c t
o f
t h e m u l t i p a t h i n t e r f e r e n c e p h e
nomena t h e
s i n g l e
i n d e x
? b e r i s p r e f e r r e d f o l l o w e d b y
t h e s t e p
i n d e x
o f r e f r a c t i o n ? b e r a n d l a s t b u t s t i l l e f f e c
t i v e
i s
t h e m u l t i m o d e g r a d e d i n d e x o f r e f r a c t i o n ? b e r .
SDF
Corguide®
? b e r a s m a n u f a c t u r e d
b y
C o r n i n g
G l a s s W o r k s , C o r n i n g , NY. 1 4 8 3 0 i s a s t r o n g m u l t i
mode
g r a d e d i n d e x o f r e f r a c t i o n ? b e r which i s
c u r
r e n t l y a v a i l a b l e a n d
r e l a t i v e l y
i n e x p e n s i v e ? b e r . T h i s
? b e r a l t h o u g h n o t o p t i m a l w i l l
p r o d u c e
t h e d e s i r e d
e f f e c t .
S i n c e t h e m a j o r i t y o f
? b e r s
c u r r e n t l y a v a i l a b l e
a r e
d e s i g n e d p r i m a r i l y
f o r
t h e communications ? e l d a
? b e r
d e s i g n e d
t o
m a x i m i z e
t h e m u l t i p a t h i n t e r f e r e n c e
phenomena c o u l d
b e p r o d u c e d
a s a s p e c i a l i t y
i t e m .
The
f u n d a m e n t a l
f r e q u e n c y o f
a t y p i c a l
s t r i n g 1 4
i s
g i v e n b y
t h e f o r m u l a :
l I .
2L
where
F=Fundamental
f r e q u e n c y o f
t h e
s t r i n g 1 4
LzLength
o f
t h e s t r i n g
1 4
T=Tension p r o v i d e d
b y t h e
r a c k a n d
p i n i o n
t u n e r
P=Mass
p e r
u n i t l e n g t h o f t h e s t r i n g
u n d e r
t e n s i o n .
FIG.
6
i l l u s t r a t e s
how
t h e
t e a c h i n g o f
t h e p r e s e n t
i n v e n t i o n
can be
employed
i n an
i n t r u s i o n d e t e c t i o n
s y s t e m
6 2 . The
s y s t e m
6 2 i n i t s
s i m p l e s t
embodiment
i n c l u d e s a s o l i d s t a t e l a s e r s o u r c e
1 2 ,
a ? b e r o p t i c c a b l e
1 4 and
a
s o l i d s t a t e
o p t i c a l
d e t e c t o r
1 6 .
The c a b l e 1 4
i s
p r e f e r a b l y b u r i e d 1 8 t o 3 6 i n c h e s u n d e r g r o u n d
a n d
m i g h t
h a v e
a t y p i c a l l e n g t h
o f
a b o u t 1 0 0 m e t e r s .
The
range of
e n s i t i v i t y
o n both s i d e s of
t h e
c a b l e 14
wo ul d
b e
a p p r o x i m a t e l y
1 0
f e e t
i n a d i r e c t i o n p e r p e n d i c u l a r t o
t h e
l e n g t h
o f t h e
c a b l e 1 4 .
The
o u t p u t
o f t h e s o l i d s t a t e
d e t e c t o r 1 6
would
p r e f e r a b l y b e c o n n e c t e d
t o
a g u a r d
house
64
o r s i m i l a r a l a r m command p o s t . Thus
f a r
t h e
embodiment
o f
t h e
i n v e n t i o n i n
a n
i n t r u s i o n d e t e c t i o n
s y s t e m i s e s s e n t i a l l y s i m i l a r t o t h e same a p p a r a t u s a s
d e s c r i b e d
i n
t h e c o n t e x t
o f
a g u i t a r s t r i n g a s shown i n
FIG.
1 . f
I t
i s a ls o p o s s i b l e t o t a k e a d v a n t a g e o f
o t h e r
f e a t u r e s
o f o p t i c a l ? b e r s
i n
o r d e r t o
d e t e c t
a n i n t r u d e r .
FIG.
7
i l l u s t r a t e s how t h e m o d u l a t e d b e n d i n g l o s s o f a ? b e r
may b e u s e d
f o r t h a t
p u r p o s e . W h e n a ? b e r
u n d e r g o e s
b e n d i n g a n d a n o p t i c a l s i g n a l i s t r a n s m i t t e d a l o n g t h e
? b e r , l o s s e s w i l l
occur
a s t h e r a d i u s o f c u r v a t u r e ap
p r o a c h e s 3 c e n t i m e t e r s . I f t h e r a d i u s
o f
c u r v a t u r e
i s t h e n
modulated due t o a d i s t u r b a n c e , t h e d e t e c t a b l e o u t p u t
power
w i l l
r e p r o d u c e t h i s m o d u l a t i o n i n t h e
form
o f
a
m o d u l a t e d e l e c t r i c a l
s i g n a l .
T h i s e f f e c t i s e n h a n c e d
t h r o u g h t h e u s e o f c o h e r e n t o p t i c a l r a d i a t i o n b e c a u s e
t h e
h i g h e r modes f p r o p a g a t i o n a r e more
u s c e p t i b l e to
e s c a p i n g f r o m t h e ? b e r w a l l .
A c c o r d i n g l y ,
t h e
t e c h
n i q u e o f
l o s s m o d u l a t i o n c a n
b e u s e d
t o
d e t e c t
t h e p r e s
e n c e
o f a n
i n t r u d e r w i t h o u t t h e
n e c e s s i t y
o f c u t ti n g t h e
?ber a s d e s c r i b e d
i n
US .
P a t . No. 4 , 0 7 1 , 7 5 3 .
F I G .
7 i l l u s t r a t e s
how
h i s
t e c h n i q u e i s e m p l o y e d
i n
t h e c o n t e x t o f
ground
s e n s o r t e c h n o l o g y . The y s t e m 6 6
F:
20
2 5
3 5
4 0
5 0
6 0
6 5
8
i n c l u d e s a
l a s e r l i g h t
s o u r c e
1 2 , a f o c u s i n g
l e n s 6 8 and
a n
i n d e x
m a t c h i n g r e s e r v o i r 7 0 which
i n c l u d e s f l u i d t o
match
t h e
o u t p u t o f l a s e r 1 2 w i t h
t h e
i n d e x o f r e f r a c t i o n
o f
t h e ? b e r
1 4 .
The
e s e r v o i r 7 0 p r e f e r a b l y
i n c l u d e s
n i n e
( 9 )
p a r t s g l y c e r i n t o
o n e ( 1 ) p a r t w a t e r o r s u i t a b l e
s u b s t i
t u t e . The
o p t i c a l
? b e r 1 4 i s wrapped a r o u n d a ? e x i b l e
c y l i n d r i c a l
c o r e
7 2 .
The
o u t p u t o f
t h e
b u r i e d p o r t i o n i s
f e d i n t o
a d e t e c t o r
1 6 which may be s i m i l a r t o t h a t
i l l u s t r at e d i n
t h e
s c h e m a t i c o f
FIG. 2 B .
The c o r e and
?ber
c o m b i n a t i o n
may
b e c l a d e d w i t h a
j a c k e t
74 t o
p r o t e c t t h e
b u r i e d
p o r t i o n f r o m t h e e n v i r o n m e n t . The
r a d i u s r o f
t h e ? e x i b l e
c y l i n d r i c a l c o r e 72 can be
v a r i e d
t o
m a x i m i z e
t h e o u t p u t s i g n a l . The o u t p u t
s i g n a l
i s
a l s o
d e p e n d e n t upon t h e ? b e r
l e n g t h ,
t h e m a t e r i a l o f t h e
? b e r
a n d o t h e r p a r a m e t e r s . The maximum a c c e p t a b l e
b e n d i n g
r a d i u s o f a ? b e r 1 4 when u s e d i n t h e m o d u l a t e d
b e n d i n g l o s s
mode
s
i n
t h e n e i g h b o r h o o d o f 3 c e n t i m e
t e r s . The m o d u l a t e d b e n d i n g l o s s mode o f
o p e r a t i o n
may a l s o
be
a p p l i e d
a s
a t e c h n i q u e t o d e t e c t t h e v i b r a
t i o n o f a main s t r u c t u r a l
component i n
an
a i r c r a f t ,
t h e r e b y
w a r n i n g
t h e
p i l o t
i n
a d v a n c e
b e f o r e
s a f e
m e t a l
f a t i q u e
l i m i t s
a r e e x c e e d e d .
I t i s
a l s o
p o s s i b l e
t o
employ a b a s i c
t e a c h i n g o f
t h e
i n v e n t i o n i n a n
embodiment
which
t a k e s
a d v a n t a g e o f
t h e p h o t o e l a s t i c
e f f e c t o n
o p t i c a l
? b e r
1 4 . T h i s t e c h
n i q u e
i s i l l u s t r a t e d i n t h e s y s t e m 7 6 o f F I G . 8 . The
p h o t o - e l a s t i c e f f e c t
p r o d u c e s a m o d u l a t i o n
i n
t h e d e
t e c t a b l e
o u t p u t power f
a ? b e r
1 4 which
s d i s t u r b e d
i n
a
manner s i m i l a r t o t h a t d e s c r i b e d
throughout
t h i s d i s
c l o s u r e . W h e n o h e r e n t r a d i a t i o n i s p r o p a g a t e d
a l o n g
a
s t r e t c h a b l e p o r t i o n
o f a ? b e r and s a l l o w e d
t o i n t e r f e r e
w i t h
t h e
c o h e r e n t
o u t p u t
o f a n u n d i s t u r b e d ? b e r ,
t h e n
a n
i n t e r f e r e n c e
p a t t e r n
i s p r o d u c e d
which may
b e
d e
t e c t e d
by
a s u i t a b l e d e t e c t o r 1 6 . As t h e
l o a d
o r amount
o f s t r e t c h i n g
v a r i e s
w i t h
t i m e ,
t h e i n t e r f e r e n c e p a t t e r n
a l s o
v a r i e s ,
t h u s p r o d u c i n g a t i m e a mp l i t u d e h i s t o g r a m
i n
t h e o u t p u t
o f
d e t e c t o r 1 6 .
F I G . 8
s h o w s i n
d e t a i l t h e a p p l i c a t i o n o f t h e p h o t o
e l a s t i c e f f e c t c o n c e p t t o a s e c u r i t y s e n s o r
s y s t e m
where
t h e a c t i v e l e n g t h
o f
t h e ? b e r
1 4
i s b u r i e d
a n d
a l l o w e d t o
b e s t r e t c h e d by t h e d e f o r m a t i o n o f t h e ground above t
a s might be caused
b y t h e
f o o t s t e p o f
an
i n t r u d e r . Th e
system 76
i n c l u d e s a
l a s e r l i g h t s o u r c e 1 2
and
a
beam
s p l i t t i n g m i r r o r 7 8 .
P a r t
o f t h e beam i s t h e r e f o r e r e
? e c t e d d i r e c t l y
i n t o t h e f a c e
o f p h o t o d e t e c t o r
1 6 .
An
o t h e r p o r t i o n o f t h e beam
a s s e s t h o u g h
s p l i t t e r
7 8 .
The
l i g h t
p a s s i n g
t h r o u g h
t h e
? b e r 1 4 i s r e t u r n e d
b a c k
t o
t h e
beam p l i t t e r 7 8 where t i s a l s o d e t e c t e d
b y p h o t o
d e
t e c t o r
1 6 .
A
u i t a b l e
j a c k e t
8 0
would
p r e f e r a b l y
c o v e r
t h e
p o r t i o n
o f
t h e
? b e r
1 4
t h a t
i s
b u r i e d u n d e r g r o u n d .
S i n g l e mode
? b e r s
a r e
p r e f e r a b l y
employed n
o r d e r
t o
l i m i t
t h e m u l t i ~ p a t h i n t e r fe r e n c e e f f e c t a n d
e n h a n c e
t h e
p h o t o e l a s t i c e f f e c t . G e n e r a l l y ,
t h e
p h o t o e l a s t i c e f f e c t
d o e s
n o t c o n t r i b u t e
t o
t h e
m o d u l a t i o n p r o d u c e d by t h e
m u l t i - p a t h
i n t e r f e r e n c e
e f f e c t ,
s i n c e
i n t h e
a p p l i c a t i o n
o f
t h e l a t t e r
c o n c e p t
n o r e f e r e n c e
s i g n a l
i s r e q u i e d .
Beam
s p l i t t e r 7 8 a c t s a s a m i c h a e l s o n t y p e i n t e r f e r o m e t e r
w h i c h d e c o d e s
t h e
p h a s e m o d u l a t i o n i n d u c e d b y
s t r e s s e s on t h e
? b e r
1 4 . While t h e p h o t o e l a s t i c embodi
ment i s p r e f e r a b l y employed a s a n i n t r u s i o n d e t e c t i o n
s e n s o r , i t w i l l b e a p p r e c i a t e d b y t h o s e o f
o r d i n a r y
s k i l l
i n
t h e a r t t h a t
i t
m i g h t a l s o
?nd
a p p l i c ab i l i t y f o r u s e
i n
a
musical i n s t r u m e n t .
While
t h e i n v e n t i o n
h a s
b e e n
d e s c r i b e d w i t h
r e f e r
ence t o
a p r e f e r r e d
embodiment t h e r e o f t w i l l be
under
s t o o d by t h o s e o f o r d i n a r y
s k i l l
i n t h e a r t t h a t v a r i o u s
c h a n g e s can b e
made t o t h e
e l e m e n t s
o f t h e embodi
-
8/16/2019 US patent 4321463 to inventor Samuel Stecher, entitled “Low Frequency Laser Detector for Musical Instrument, is…
10/10
4 , 3 2 1 , 4 6 3
m e n t s t h a t
c o m p r i s e t h e i n v e n t i o n w i t h o u t
d e p a r t i n g
f r o m t h e
s p i r i t
a n d
s c o p e
t h e r e o f .
I c l a i m :
1 . A u s i c a l i n s t r u m e n t
i n c l u d i n g
a low
f r e q u e n c y
l a s e r ? b e r o p t i c
d e t e c t o r
a p p a r at us c o m p r i s i n g :
a
p l u r a l i t y
o f e l o n g a t e d o p t i c a l ? b e r means e a c h
hav
i n g a
l i g h t
r e c e i v i n g
e n d a n d
a
l i g h t
t r a n s m i t t i n g
e n d ;
a p l u r a l i t y
o f
t e n s i o n means a s s o c i a te d r e s p e c t i v e l y
w i t h e a c h o f s a i d e l o n g a t e d o p t i c a l ? b e r
m e a n s
f o r
p u t t i n g a t ’
l e a s t
a
p o r t i o n
o f e a c h o f s a i d
e l o n g a t e d
o p t i c a l ? b e r means n t o t e n s i o n ;
a m u s i c a l i n s t r u m e n t body
means
f o r c a r r y i n g
s a i d
p l u r a l i t y
o f
o p t i c a l ? b e r m e a n s a n d s a i d p l u r a l i t y o f
t e n s i o n means;
c o h e r e n t l i g h t
s o u r c e means f o r i n t r o d u c i n g
c o h e r e n t
l i g h t
i n t o s a i d p l u r a l i t y o f e l o n g a t e d o p t i c a l ? b e r
m e a n s ; a n d ,
o p t i c a l
d e t e c t o r m e a n s
f o r
d e t e c t i n g t h e m u l t i - p at h
i n t e r f e r e n c e p a t te r n o f s a i d
l i g h t a s
r e c e i v e d b y s a i d
d e t e c t o r
means
t
t h e t r a n s m i t t i n g
e n d
o f
s a i d
p l u
r a l i t y o f e l o n g a t e d o p t i c a l
? b e r
m e a n s a n d c o n v e r t
i n g
s a i d
p a t t e r n
i n t o
a n e l e c t r i c a l s i g n a l ,
w h e r e i n low
f r e q u e n c y
v i b r a t i o n s i n
t h e
m u s i c a l f r e
q u e n c y
r a n g e i m p a r t e d t o s a i d e l o n g a t e d o p t i c a l
?ber
means a r e
d e t e c t e d
b y s a i d
d e t e c t o r means
and
c o n v e r t e d
i n t o
e l e c t r i c a l s i g n a l s h a v i n g a f r e
q u e n c y d i r e c t l y
p r o p o r t i o n a l t o
t h e
f r e q u e n c y o f
v i b r a t i o n o f
s a i d
e l o n g a t e d o p t i c a l ? b e r m e a n s .
2 .
The
a p p a r a t u s o f
c l a i m
1 w h e r e i n s a i d body
means
comprises
a g u i t a r body .
3 . The a p p a r a t u s
o f c l a i m 2
w h e r e i n s a i d c o h e r e n t
l i g h t s o u r c e means c o m p r i s e s a s o l i d s t a te l a s e r
d e v i c e .
4 . The a p p a r a t u s o f
c l a i m
3 w h e r e i n
s a i d
d e t e c t o r
means comprises a s q u a r e law d e t e c t o r .
5 . The
a p p a r a t u s
o f
c l a i m
4
f u r t he r i n c l u d i n g :
ampli?er means
connected t o
s a i d d e t e c t o r means f o r
a m p l i f y i n g
t h e o u t p u t t h e r e o f .
6 . The a p p a r a t u s
o f c l a i m 5
w h e r e i n s a i d t e n s i o n
means c o m p r i s e s :
2 0
2 5
3 0
3 5
40
4 5
5 5
6 0
6 5
1 0
a g e a r r a c k h a v i n g
t e e t h t h e r e o n a n d s l i d a b l y
r e
c e i v e d
i n
a
g r o o v e
i n
s a i d g u i t a r b o d y ;
a p i n i o n
g e a r h a v i n g
t e e t h
which
e n g a g e
s a i d
t e e t h
o f
s a i d g e a r r a c k ;
a
s h a f t
p a s s i n g t h r o u g h s a i d g e a r ;
m e a n s f o r r o t a t a b l y a t t a c h i n g s a i d s h a f t t o s a i d g u i t a r
b o d y ;
means on s a i d r a c k f o r c a r r y i n g a n d s u p p o r t i n g a t
l e a s t one
o f
s a i d e l o n g a t e d
o p t i c a l
?ber means;
b r a c k e t
means
a t t a c h e d t o s a i d r a c k
and
having a s l o t
t h e r e i n a d a p t e d t o r e c e i v e s a i d
s h a f t ; a n d ,
a
m a n i p u l a t a b l e
knob
means a t t a c h e d
t o
s a i d s h a f t
f o r
d r i v i n g
s a i d p i n i o n g e a r m e a n s b a c k a n d f o r t h
a l o n g
s a i d
g e a r
r a c k .
7 . The a p p a r a t u s
o f
c l a i m 6 f u r t h e r i n c l u d i n g
a
s p r i n g
m e a n s s u r r o u n d i n g s a i d
s h a f t f o r s e l e c t i v e l y
l o c k i n g
s a i d t e n s i o n means
i n a ?xed
l o c a t i o n .
8 . A
l o w
f r e q u e n c y i n t r u s i o n d e t e c t i o n
a p p a r a t u s
c o m p r i s i n g :
a t
l e a s t
one e l o n g a t e d
o p t i c a l
? b e r means h a v i n g a
l i g h t
r e c e i v i n g
e n d
a n d a
l i g h t
t r a n s m i t t i n g
e n d ;
t e n s i o n means f o r
s t r e t c h i n g
s a i d o p t i c a l ? b e r means
s o
t h a t i t h a s a f u n d a m e n t a l f r e q u e n c y
below
2 0 , 0 0 0
c y c l e s p e r
s e c o n d ;
p r o t e c t i o n m e a n s
f o r
p r o t e c t i n g
s a i d
e l o n g a t e d o p t i
c a l
? b e r
means from t h e e n v i r o n m e n t ;
c o h e r e n t l i g h t s o u r c e means
f o r
i n t r o d u c i n g c o h e r e n t
l i g h t
i n t o s a i d
l i g h t r e c e i v i n g
e n d ;
a n d ,
o p t i c a l d e t e c t o r
means
f o r d e t e c t i n g t h e m u l ti - p a t h
i n t e r f e r e n c e p a t te r n o f s a i d
l i g h t
a s r e c e i v e d by a i d
d e t e c t o r means t t h e t r an s m i t t i n g end o f s a i d e l o n
g a t e d
o p t i c a l
? b e r m e a n s
a n d
c o n v e r t i n g
s a i d
p a t
t e r n
i n t o a n e l e c t r i c a l s i g n a l ,
w h e r e i n s a i d e l o n g a t e d o p t i c a l ? b e r
m e a n s
i s
b u r i e d
u n d e r g r o u n d a n d
s a i d
a p p a r a t u s i s r e s p o n s i v e t o
t h e ground
d i s t u r b a n c e o f
a n i n t r u d e r
t h e r e a b o v e .
9 . The a p p a r a t u s o f
c l a i m
8 w h e r e i n
s a i d
e l o n g a t e d
o p t i c a l ? b e r
means i s
b u r i e d between 1 8
a n d
3 6
i n
d e p t h
u n d e r g r o u n d
a n d h a s a l e n g t h o f
a p p r o x i m a t e l y
100 m e t e r s .
, 1