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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。然而，基于移動機(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像人們預(yù)期的那樣通過感應(yīng)其腔鏡的運(yùn)動或變形來工作。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)置是首選，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。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，換能器可在高達(dá)50MHz的頻率下工作。另一個有趣的特性是光學(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＜叭松戆踩?。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振蕩多個周期，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）會產(chǎn)生大量可聽噪聲，但它們也會產(chǎn)生包含豐富有用信息的超聲頻譜。例如一個快速旋轉(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)子束同時在加速器環(huán)中運(yùn)動，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)傳感器的完美替代品。

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)前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前所未有的頻率帶寬，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)沒有任何活動部件，因此可得到一個真正的時間脈沖響應(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)的指定代理商，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，請隨時與我們聯(lián)系！

關(guān)于昊量光電：

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