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    4. 無膜光學麥克風及其應用

      作者:David 來源:上海昊量光電投稿 時間:2022-05-19 16:32 閱讀:1177 [投稿]
      基于移動機械部件(如薄膜)的麥克風無論是在電氣設備還是光學設備中都有局限性,奧地利Xarion公司開發的無膜光學麥克風技術現在正在展示其在多種不同應用中的實用性。

      運用光學手段測量聲音,一種常見的思路是通過光波來檢測聲波誘導的懸臂或反射膜的機械運動。然而,基于移動機械部件(如薄膜)的麥克風(無論是在電氣設備還是光學設備中)都有局限性,因為它們都受到所涉及結構機械特性的影響,這些結構表現為耦合的彈簧-質量系統。例如,包含薄膜或可機械變形的壓電材料的麥克風具有幾個不同的共振頻率。雖然阻尼系統可以改善設備頻率響應的線性度,但會導致靈敏度的降低。

      XARION Laser Acoustics是一家奧地利的初創公司,成立于2012年,是從維也納科技大學分拆出來的,正在開發一種新型的聲學傳感器,其中聲壓波由微型法布里-珀羅標準具純光學檢測。該標準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期的那樣通過感應其腔鏡的運動或變形來工作。相反,它通過感應腔體本身的聲音傳播介質的折射率的微小變化來工作。以連續波模式工作的1550nm激光二極管發出的1mW光束通過光纖發送到Fabry-Pérot標準具。腔內壓力發生變化的那一刻,透射(以及反射)光強度的強度就會被相應地進行調制。因為對于許多應用來說,使用單根光纖的簡單傳感器設置是首選,所以對反射光進行監測。在普通光纖內進出傳感器頭的光束使用光環行器分開,從而可以監測傳感器的反射光。

      通常介質的折射率變化是非常小的,在標準條件下(室溫、環境壓力),如果壓力變化1Pa,空氣的折射率變化約3×10-9。然而,從聲學的角度來看,1Pa的交變壓力(~1×10-5的環境壓力)已經相當響亮了,它大致相當于有人在幾厘米的近距離內對著你的耳朵大喊大叫。因此,高性能麥克風需要解析遠低于1Pa的壓力。事實上,無膜光學麥克風可以實現令人印象深刻的壓力解析能力?梢詸z測到低于10–14的折射率變化,對應于小至1μPa的壓力變化(歸一化為1-Hz帶寬)。

       

      圖1.無膜光學麥克風。a.設備的原理圖和工作原理,通過改變法布里-珀羅標準具內介質的折射率,以光學方式檢測聲波或超聲波信號。b.制造的傳感器與光纖連接

      無膜光學麥克風真正的好處在于其他地方。因為它的鏡子是如此的小而堅硬,它們的機械共振幾乎對測量沒有影響,基于此原理的麥克風可以在從次聲(從大約5Hz開始)到1MHz的頻率范圍內都具有非常平坦的頻率響應。此外,無膜光學麥克風不僅可以在空氣中使用,還可以在液體中使用。而且因為水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50MHz的頻率下工作。另一個有趣的特性是光學麥克風的脈沖響應,因為無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)。

      無膜光學麥克風技術對于超聲測量領域的應用特別有吸引力,例如無損檢測。多年來,在不引起損壞的情況下確定組件機械完整性的方法在各個行業中一直是至關重要的。對于制造過程中的全面質量控制或在役缺陷評估和監控等目的,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以及建筑行業尤其重要,因為材料故障會危及人身安全。在所有這些行業中,對堅固和輕質結構的需求導致近年來采用纖維增強復合材料,尤其是碳纖維復合材料。與金屬相比,它們通常具有復雜的層狀結構,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,開發適用于這些材料的無損檢測技術,最好允許高度自動化以節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,導致“死區”顯著增加,因此無法進行缺陷檢測。XARION目前正致力于使用其光學麥克風技術進行單面無損測試其優點是無共振響應和大大減少的死區。


       

      圖2.使用光學傳感器獲得的具有內部缺陷的碳纖維復合板的超聲波掃描

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