無膜光學麥克風及其應用

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無膜光學麥克風及其應用

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

超聲波技術的另一個有趣應用是工業過程控制。盡管許多工業過程（例如切削和加工）會產生大量可聽噪聲，但它們也會產生包含豐富有用信息的超聲頻譜。例如一個快速旋轉的鉆頭，它產生特定的聲頻和相應的泛音；在激光焊接中的熱蒸發同樣會發射高達MHz范圍的高超聲頻率。數百kHz范圍內的特定光譜分量的幅度通常是很難測量的參數。使用攝像機的光學監控系統很常見，但通常需要復雜的數據處理來提取有價值的信息。光學麥克風的數據流更易于管理，分析也相對容易。

聲學過程監測并不新鮮，但環境噪聲會極大地損害聲學監測系統的預測性能。轉向高超聲頻率（300到900kHz）可以使這種監測在統計上更加穩健，因為在這些頻率下環境噪聲大大降低。

雖然無膜光學麥克風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的聲學計量。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電磁干擾的影響，這是電容式聲學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出的電暈噪聲：光學傳感器安裝在距離承載380,000V的電纜僅30厘米的位置。

另一個部署了光學換能器的苛刻實驗環境是歐洲核子研究中心的超級質子同步加速器（大型強子對撞機的加速器）的聲學監測。在這里，在加速器隧道中安裝了兩個傳感器，以研究質子撞擊對粒子準直器鉗口材料的損傷。由于大型強子對撞機中的質子速度極快，非常接近光速，它們的能量目前達到6.5TeV(~1μJ)，而且由于許多質子束同時在加速器環中運動，總能量能量超過100兆焦耳。很明顯，質子與隧道管孔的意外碰撞可能導致重大損壞。準直系統通過具有小間隙尺寸的準直器鉗口保護隧道管孔。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子束轟擊，以評估它們的穩健性。目標容器發射到周圍隧道空氣中的聲壓級可以與沖擊損壞相關聯，是一種有用的診斷工具。加速質子的軔致輻射會導致惡劣的環境，損害傳統傳感器的功能。將光學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程激光和檢測單元，可以進行測量15。

圖3，CERN的聲發射監測，正在研究不同材料對質子引起的損傷的穩健性

總而言之，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。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合，使該技術成為用于空氣和液體聲學計量的傳統傳感器的完美替代品。

關于奧地利Xarion公司

奧地利Xarion Laser Acoustics GmbH(以下簡稱Xarion)成立于2012年，是由維也納技術大學和樓氏電子合作創立的獨立公司，于2013年推出新型無振膜光學麥克風，實了現前所未有的聲音解析度。

Xarion公司研制開發的Eta系列無振膜光學麥克風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擴展到2MHz（液體中可達20MHz）；與傳統麥克風相比，Eta系列無振膜光學麥克風沒有任何活動部件，因此可得到一個真正的時間脈沖響應。

Xarion公司Eta系列無振膜光學麥克風應用場景包括：無耦合液點焊檢查，碳纖維復合材料(如CFRP)的質量控制，非接觸式過程監測，激光材料加工聲學質量監測，增材制造過程的實時監控，生產線和機器的智能在線監測，聲場表征，電磁環境下的測量，超聲波發射器表征等。

上海昊量光電設備有限公司作為奧地利Xarion公司在國內的指定代理商，為其提供專業售前、售后服務，如果您對無膜光學麥克風感興趣，請隨時與我們聯系！

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