無膜光學(xué)麥克風(fēng)及其應(yīng)用

運(yùn)用光學(xué)手段測量聲音，一種常見的思路是通過光波來檢測聲波誘導(dǎo)的懸臂或反射膜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)。然而，基于移動(dòng)機(jī)械部件（如薄膜）的麥克風(fēng)（無論是在電氣設(shè)備還是光學(xué)設(shè)備中）都有局限性，因?yàn)樗鼈兌际艿剿婕敖Y(jié)構(gòu)機(jī)械特性的影響，這些結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為耦合的彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)。例如，包含薄膜或可機(jī)械變形的壓電材料的麥克風(fēng)具有幾個(gè)不同的共振頻率。雖然阻尼系統(tǒng)可以改善設(shè)備頻率響應(yīng)的線性度，但會(huì)導(dǎo)致靈敏度的降低。

XARION Laser Acoustics是一家奧地利的初創(chuàng)公司，成立于2012年，是從維也納科技大學(xué)分拆出來的，正在開發(fā)一種新型的聲學(xué)傳感器，其中聲壓波由微型法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具純光學(xué)檢測。該標(biāo)準(zhǔn)具是由兩個(gè)平行的毫米大小的半透明鏡形成的小型干涉腔（如圖1所示）。這種傳感器的新穎之處在于它不會(huì)像人們預(yù)期的那樣通過感應(yīng)其腔鏡的運(yùn)動(dòng)或變形來工作。相反，它通過感應(yīng)腔體本身的聲音傳播介質(zhì)的折射率的微小變化來工作。以連續(xù)波模式工作的1550nm激光二極管發(fā)出的1mW光束通過光纖發(fā)送到Fabry-Pérot標(biāo)準(zhǔn)具。腔內(nèi)壓力發(fā)生變化的那一刻，透射（以及反射）光強(qiáng)度的強(qiáng)度就會(huì)被相應(yīng)地進(jìn)行調(diào)制。因?yàn)閷τ谠S多應(yīng)用來說，使用單根光纖的簡單傳感器設(shè)置是shou 選，所以對反射光進(jìn)行監(jiān)測。在普通光纖內(nèi)進(jìn)出傳感器頭的光束使用光環(huán)行器分開，從而可以監(jiān)測傳感器的反射光。

通常介質(zhì)的折射率變化是非常小的，在標(biāo)準(zhǔn)條件下（室溫、環(huán)境壓力），如果壓力變化1Pa，空氣的折射率變化約3×10-9。然而，從聲學(xué)的角度來看，1Pa的交變壓力（~1×10-5的環(huán)境壓力）已經(jīng)相當(dāng)響亮了，它大致相當(dāng)于有人在幾厘米的近距離內(nèi)對著你的耳朵大喊大叫。因此，高性能麥克風(fēng)需要解析遠(yuǎn)低于1Pa的壓力。事實(shí)上，無膜光學(xué)麥克風(fēng)可以實(shí)現(xiàn)令人印象深刻的壓力解析能力。可以檢測到低于10–14的折射率變化，對應(yīng)于小至1μPa的壓力變化（歸一化為1-Hz帶寬）。

圖1，無膜光學(xué)麥克風(fēng)。a，設(shè)備的原理圖和工作原理，通過改變法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具內(nèi)介質(zhì)的折射率，以光學(xué)方式檢測聲波或超聲波信號(hào)。b，制造的傳感器與光纖連接

無膜光學(xué)麥克風(fēng)真正的好處在于其他地方。因?yàn)樗溺R子是如此的小而堅(jiān)硬，它們的機(jī)械共振幾乎對測量沒有影響，基于此原理的麥克風(fēng)可以在從次聲（從大約5Hz開始）到1MHz的頻率范圍內(nèi)都具有非常平坦的頻率響應(yīng)。此外，無膜光學(xué)麥克風(fēng)不僅可以在空氣中使用，還可以在液體中使用。而且因?yàn)樗恼凵渎时瓤諝獾恼凵渎矢叱龊芏啵s1,000倍，與真空中相比），這非常有助于補(bǔ)償靈敏度的損失。在水或其他液體中使用時(shí)，換能器可在高達(dá)50MHz的頻率下工作。另一個(gè)有趣的特性是光學(xué)麥克風(fēng)的脈沖響應(yīng)，因?yàn)闊o慣性傳感器能夠更好地成像狄拉克脈沖（非常尖銳的時(shí)間尖峰）。

無膜光學(xué)麥克風(fēng)技術(shù)對于超聲測量領(lǐng)域的應(yīng)用特別有吸引力，例如無損檢測。多年來，在不引起損壞的情況下確定組件機(jī)械完整性的方法在各個(gè)行業(yè)中一直是至關(guān)重要的。對于制造過程中的全面質(zhì)量控制或在役缺陷評(píng)估和監(jiān)控等目的，在過程中犧牲測試對象是不合適的。此類檢查對于hai 軍、航空航天和汽車行業(yè)以及建筑行業(yè)尤其重要，因?yàn)椴牧瞎收蠒?huì)危及人身安全。在所有這些行業(yè)中，對堅(jiān)固和輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的需求導(dǎo)致近年來采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，尤其是碳纖維復(fù)合材料。與金屬相比，它們通常具有復(fù)雜的層狀結(jié)構(gòu)，具有各向異性的材料特性和需要可靠識(shí)別的各種可能的缺陷類型。因此，開發(fā)適用于這些材料的無損檢測技術(shù)，最  好允許高度自動(dòng)化以節(jié)省成本并提高檢測速度。如上所述，高諧振換能器在脈沖檢測期間會(huì)振蕩多個(gè)周期，導(dǎo)致“死區(qū)"顯著增加，因此無法進(jìn)行缺陷檢測。XARION目前正致力于使用其光學(xué)麥克風(fēng)技術(shù)進(jìn)行單面無損測試其優(yōu)點(diǎn)是無共振響應(yīng)和大大減少的死區(qū)。

圖2，使用光學(xué)傳感器獲得的具有內(nèi)部缺陷的碳纖維復(fù)合板的超聲波掃描

超聲波技術(shù)的另一個(gè)有趣應(yīng)用是工業(yè)過程控制。盡管許多工業(yè)過程（例如切削和加工）會(huì)產(chǎn)生大量可聽噪聲，但它們也會(huì)產(chǎn)生包含豐富有用信息的超聲頻譜。例如一個(gè)快速旋轉(zhuǎn)的鉆頭，它產(chǎn)生特定的聲頻和相應(yīng)的泛音；在激光焊接中的熱蒸發(fā)同樣會(huì)發(fā)射高達(dá)MHz范圍的高超聲頻率。數(shù)百kHz范圍內(nèi)的特定光譜分量的幅度通常是很難測量的參數(shù)。使用攝像機(jī)的光學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)很常見，但通常需要復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理來提取有價(jià)值的信息。光學(xué)麥克風(fēng)的數(shù)據(jù)流更易于管理，分析也相對容易。

聲學(xué)過程監(jiān)測并不新鮮，但環(huán)境噪聲會(huì)極大地?fù)p害聲學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)的預(yù)測性能。轉(zhuǎn)向高超聲頻率（300到900kHz）可以使這種監(jiān)測在統(tǒng)計(jì)上更加穩(wěn)健，因?yàn)樵谶@些頻率下環(huán)境噪聲大大降低。

雖然無膜光學(xué)麥克風(fēng)不太可能在音樂錄音室中特別有用，但在很多情況下它可以極大地幫助傳統(tǒng)的聲學(xué)計(jì)量。由于該傳感器與1550nm單模光纖耦合，因此全光傳感器頭不受強(qiáng)電磁干擾的影響，這是電容式聲學(xué)傳感器或壓電換能器是無能為力的。例如，奧地利一家電力公司正在使用XARION的傳感器來測量高壓輸電線發(fā)出的電暈噪聲：光學(xué)傳感器安裝在距離承載380,000V的電纜僅30厘米的位置。

另一個(gè)部署了光學(xué)換能器的苛刻實(shí)驗(yàn)環(huán)境是歐洲核子研究中心的超級(jí)質(zhì)子同步加速器（大型強(qiáng)子對撞機(jī)的加速器）的聲學(xué)監(jiān)測。在這里，在加速器隧道中安裝了兩個(gè)傳感器，以研究質(zhì)子撞擊對粒子準(zhǔn)直器鉗口材料的損傷。由于大型強(qiáng)子對撞機(jī)中的質(zhì)子速度極快，非常接近光速，它們的能量目前達(dá)到6.5TeV(~1μJ)，而且由于許多質(zhì)子束同時(shí)在加速器環(huán)中運(yùn)動(dòng)，總能量能量超過100兆焦耳。很明顯，質(zhì)子與隧道管孔的意外碰撞可能導(dǎo)致重大損壞。準(zhǔn)直系統(tǒng)通過具有小間隙尺寸的準(zhǔn)直器鉗口保護(hù)隧道管孔。在受控條件下，各種不同的金屬合金在專門的材料測試中被故意用質(zhì)子束轟擊，以評(píng)估它們的穩(wěn)健性。目標(biāo)容器發(fā)射到周圍隧道空氣中的聲壓級(jí)可以與沖擊損壞相關(guān)聯(lián)，是一種有用的診斷工具。加速質(zhì)子的軔致輻射會(huì)導(dǎo)致惡劣的環(huán)境，損害傳統(tǒng)傳感器的功能。將光學(xué)傳感器頭放置在靠近撞擊位置的位置，并使用160米長的光纖連接到遠(yuǎn)程激光和檢測單元，可以進(jìn)行測量15。

圖3，CERN的聲發(fā)射監(jiān)測，正在研究不同材料對質(zhì)子引起的損傷的穩(wěn)健性

總而言之，無膜光學(xué)麥克風(fēng)技術(shù)現(xiàn)在正在展示其在多種不同應(yīng)用中的實(shí)用性。廣泛的工作頻率范圍、高靈敏度和毫米大小的傳感器尺寸相結(jié)合，使該技術(shù)成為用于空氣和液體聲學(xué)計(jì)量的傳統(tǒng)傳感器的wan  美替代品。

關(guān)于奧地利Xarion公司

奧地利Xarion Laser Acoustics GmbH(以下簡稱Xarion)成立于2012年，是由維也納技術(shù)大學(xué)和樓氏電子合作創(chuàng)立的獨(dú)立公司，于2013年推出新型無振膜光學(xué)麥克風(fēng)，實(shí)了現(xiàn)qian 所未有的聲音解析度。

Xarion公司研制開發(fā)的Eta系列無振膜光學(xué)麥克風(fēng)使無接觸超聲波測量具有qian 所未有的頻率帶寬，聲波頻率帶寬從10Hz擴(kuò)展到2MHz（液體中可達(dá)20MHz）；與傳統(tǒng)麥克風(fēng)相比，Eta系列無振膜光學(xué)麥克風(fēng)沒有任何活動(dòng)部件，因此可得到一個(gè)真正的時(shí)間脈沖響應(yīng)。

Xarion公司Eta系列無振膜光學(xué)麥克風(fēng)應(yīng)用場景包括：無耦合液點(diǎn)焊檢查，碳纖維復(fù)合材料(如CFRP)的質(zhì)量控制，非接觸式過程監(jiān)測，激光材料加工聲學(xué)質(zhì)量監(jiān)測，增材制造過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控，生產(chǎn)線和機(jī)器的智能在線監(jiān)測，聲場表征，電磁環(huán)境下的測量，超聲波發(fā)射器表征等。

上海昊量光電設(shè)備有限公司作為奧地利Xarion公司在國內(nèi)的代理商，為其提供專業(yè)售前、售后服務(wù)，如果您對無膜光學(xué)麥克風(fēng)感興趣，請隨時(shí)與我們聯(lián)系！

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文章來源：

Optical microphone hears ultrasound，Balthasar Fischer

參考文獻(xiàn)：

1. Zhang, X. et al. J. Assoc. Res. Otolaryngology 15, 867–881 (2014).

2. Bilaniuk, N. Appl. Acoust. 50, 35–63 (1996).

3. Chandler, S. J. Acoust. Soc. Am. 30, 644–645 (1958).

4. Bell, A. G. Am. J. Sci. 20, 305–324 (1880).

5. Philip, E. C. Appl. Optics 35, 1566–1573 (1996).

6. Fischer, B. Development of an Optical Microphone without Membrane PhD thesis, Vienna University of Technology (2010).

7. Bass, H. E., Sutherland, L. C. & Zuckerwar, A. J. J. Acoust. Soc. Am. 88, 2019–2020 (1990).

8. Rohringer, W. et al. Proc. SPIE 9708, 970815 (2016).

9. Kreutzbruck, M., Pelkner, M., Gaal, M., Daschewski, M. & Brackrock, D. In Proc. 12th Int. Conf. Slovenian Soc. for NonDestructive Testing 2013 303–314 (2013).

10. Wooldridge, A. B. & Chapman, R. K. in Improving the Effectiveness and Reliability of Non-Destructive Testing — A

Volume in Non Destructive Testing and Materials Evaluation Ch. 4, 88 (Pergamon, 1992).

11. Potter, K., Khan, B., Wisnom, M., Bell, T. & Stevens, J. Composites Part A 39, 1343–1354 (2008).

12. Wong, S. B. Non-Destructive Testing — Theory, Practice and Industrial Applications (Lambert Academic, 2014).

13. Pelianov, I. et al. Photoacoustics 2, 63–74 (2014).

14. Bastuck, M., Herrmann, H.-G., Wolter, B., Zinn, P.-C. & Zaeh, R.-K. In Proc. 34th Int. Congress Applications Lasers &

Electro-Optics 601 (2015).

15. Fischer, B., Deboy, D. & Zotter, S. In 19th World Congress on Non-Destructive Testing Tu.1.F (2016).

16. Guruschkin, E. Berührungslose Prüfung von Faserverbundwerkstoffen mit Luftultraschall MSc thesis, Technical