無(wú)膜光學(xué)麥克風(fēng)及其應(yīng)用

運(yùn)用光學(xué)手段測(cè)量聲音，一種常見(jiàn)的思路是通過(guò)光波來(lái)檢測(cè)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(wú)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�涉及結(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?jiàn)W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(lái)的，正在開(kāi)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(cè)。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(guò)感應(yīng)其腔鏡的運(yùn)動(dòng)或變形來(lái)工作。相反，它通過(guò)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(lái)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(guò)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?duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，使用單根光纖的簡(jiǎn)單傳感器設(shè)置是首選，所以對(duì)反射光進(jìn)行監(jiān)測(cè)。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(kāi)，從而可以監(jiān)測(cè)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(lái)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(duì)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(wú)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�？梢詸z測(cè)到低于10–14的折射率變化，對(duì)應(yīng)于小至1μPa的壓力變化（歸一化為1-Hz帶寬）。

 

圖1.無(wú)膜光學(xué)麥克風(fēng)。a.設(shè)備的原理圖和工作原理，通過(guò)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(cè)聲波或超聲波信號(hào)。b.制造的傳感器與光纖連接

無(wú)膜光學(xué)麥克風(fēng)真正的好處在于其他地方。因?yàn)樗�的鏡子是如此的小而堅(jiān)硬，它們的機(jī)械共振幾乎對(duì)測(cè)量沒(méi)有影響，基于此原理的麥克風(fēng)可以在從次聲（從大約5Hz開(kāi)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(wú)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�的折射率比空氣的折射率高出很多（約1,000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(wú)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(wú)膜光學(xué)麥克風(fēng)技術(shù)對(duì)于超聲測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用特別有吸引力，例如無(wú)損檢測(cè)。多年來(lái)，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(duì)于制造過(guò)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(guò)程中犧牲測(cè)試對(duì)象是不合適的。此類檢查對(duì)于海軍、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(duì)堅(jiān)固和輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的需求導(dǎo)致近年來(lái)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(kāi)發(fā)適用于這些材料的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，最好允許高度自動(dòng)化以節(jié)省成本并提高檢測(cè)速度。如上所述，高諧振換能器在脈沖檢測(cè)期間會(huì)振蕩多個(gè)周期，導(dǎo)致“死區(qū)”顯著增加，因此無(wú)法進(jìn)行缺陷檢測(cè)。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(wú)損測(cè)試其優(yōu)點(diǎn)是無(wú)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