無膜(mo)光(guang)學麥克風及其應用

運(yun)用(yong)光學(xue)手段測(ce)(ce)量(liang)聲音，一種常(chang)見的(de)思(si)路是通過光波(bo)來檢測(ce)(ce)聲波(bo)誘導的(de)懸臂或(huo)反射膜(mo)的(de)機(ji)(ji)械(xie)運(yun)動(dong)。然(ran)而(er)，基于移動(dong)機(ji)(ji)械(xie)部件（如(ru)薄膜(mo)）的(de)麥(mai)克風（無論是在電氣設備(bei)還(huan)是光學(xue)設備(bei)中(zhong)）都(dou)有局限(xian)性(xing)(xing)，因為(wei)(wei)它們都(dou)受到所涉及(ji)結構機(ji)(ji)械(xie)特性(xing)(xing)的(de)影(ying)響，這些結構表(biao)現為(wei)(wei)耦(ou)合(he)的(de)彈簧(huang)-質(zhi)量(liang)系統。例(li)如(ru)，包(bao)含薄膜(mo)或(huo)可機(ji)(ji)械(xie)變形的(de)壓電材料的(de)麥(mai)克風具有幾(ji)個(ge)不同的(de)共振頻率。雖(sui)然(ran)阻尼系統可以改善(shan)設備(bei)頻率響應的(de)線性(xing)(xing)度，但會導致靈敏度的(de)降低。

XARION Laser Acoustics是(shi)一家奧地利的(de)(de)(de)(de)(de)(de)初創公司，成(cheng)立于(yu)2012年，是(shi)從(cong)維也納科技大(da)學(xue)分(fen)(fen)拆出來(lai)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)，正(zheng)在開(kai)發一種(zhong)新型的(de)(de)(de)(de)(de)(de)聲學(xue)傳(chuan)感(gan)器，其中聲壓波由微(wei)型法布里-珀羅標準具純光(guang)學(xue)檢(jian)測。該(gai)標準具是(shi)由兩個平行的(de)(de)(de)(de)(de)(de)毫米大(da)小(xiao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)半透明(ming)鏡形成(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)小(xiao)型干涉(she)腔（如(ru)圖1所(suo)示）。這種(zhong)傳(chuan)感(gan)器的(de)(de)(de)(de)(de)(de)新穎之處在于(yu)它不會(hui)像(xiang)人們(men)預(yu)期的(de)(de)(de)(de)(de)(de)那樣通過感(gan)應(ying)其腔鏡的(de)(de)(de)(de)(de)(de)運動或變(bian)形來(lai)工作。相反(fan)，它通過感(gan)應(ying)腔體本身(shen)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)聲音傳(chuan)播(bo)介質的(de)(de)(de)(de)(de)(de)折射率的(de)(de)(de)(de)(de)(de)微(wei)小(xiao)變(bian)化來(lai)工作。以(yi)連續波模式工作的(de)(de)(de)(de)(de)(de)1550nm激光(guang)二極管發出的(de)(de)(de)(de)(de)(de)1mW光(guang)束通過光(guang)纖發送到Fabry-Pérot標準具。腔內壓力發生變(bian)化的(de)(de)(de)(de)(de)(de)那一刻，透射（以(yi)及反(fan)射）光(guang)強(qiang)度的(de)(de)(de)(de)(de)(de)強(qiang)度就會(hui)被相應(ying)地進行調(diao)制。因為對(dui)于(yu)許多應(ying)用(yong)來(lai)說，使用(yong)單(dan)根光(guang)纖的(de)(de)(de)(de)(de)(de)簡單(dan)傳(chuan)感(gan)器設置是(shi)shou 選，所(suo)以(yi)對(dui)反(fan)射光(guang)進行監(jian)測。在普通光(guang)纖內進出傳(chuan)感(gan)器頭(tou)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)束使用(yong)光(guang)環行器分(fen)(fen)開(kai)，從(cong)而可以(yi)監(jian)測傳(chuan)感(gan)器的(de)(de)(de)(de)(de)(de)反(fan)射光(guang)。

通常介質的(de)(de)折(zhe)射率變(bian)化(hua)(hua)(hua)是非常小(xiao)的(de)(de)，在標準條件下（室溫、環境壓(ya)力(li)），如(ru)果(guo)壓(ya)力(li)變(bian)化(hua)(hua)(hua)1Pa，空氣的(de)(de)折(zhe)射率變(bian)化(hua)(hua)(hua)約(yue)3×10-9。然而，從聲學的(de)(de)角度來看，1Pa的(de)(de)交變(bian)壓(ya)力(li)（~1×10-5的(de)(de)環境壓(ya)力(li)）已經相當(dang)響亮了，它大(da)(da)致相當(dang)于(yu)(yu)有人在幾厘(li)米的(de)(de)近距離內(nei)對著你的(de)(de)耳(er)朵大(da)(da)喊大(da)(da)叫(jiao)。因此，高(gao)性能(neng)麥(mai)克風(feng)需要解(jie)析(xi)遠低(di)于(yu)(yu)1Pa的(de)(de)壓(ya)力(li)。事實上，無膜(mo)光學麥(mai)克風(feng)可以實現令人印象深刻的(de)(de)壓(ya)力(li)解(jie)析(xi)能(neng)力(li)。可以檢(jian)測(ce)到低(di)于(yu)(yu)10–14的(de)(de)折(zhe)射率變(bian)化(hua)(hua)(hua)，對應于(yu)(yu)小(xiao)至1μPa的(de)(de)壓(ya)力(li)變(bian)化(hua)(hua)(hua)（歸一化(hua)(hua)(hua)為1-Hz帶寬）。

圖1，無膜光學麥克(ke)風。a，設(she)備(bei)的(de)原理圖和工(gong)作原理，通過改變法布里-珀(po)羅(luo)標準具內(nei)介質的(de)折射率(lv)，以光學方式檢(jian)測聲波或超聲波信號。b，制造的(de)傳感器(qi)與光纖(xian)連接

無膜光學麥(mai)(mai)克風(feng)真正的(de)(de)(de)好處在(zai)于其(qi)他地(di)方。因為它的(de)(de)(de)鏡子是(shi)如此的(de)(de)(de)小而堅硬，它們的(de)(de)(de)機(ji)械共(gong)振幾(ji)乎對(dui)測量沒有影(ying)響(xiang)，基于此原理的(de)(de)(de)麥(mai)(mai)克風(feng)可以(yi)在(zai)從(cong)次(ci)聲（從(cong)大(da)約(yue)5Hz開始）到1MHz的(de)(de)(de)頻率范圍內都具有非(fei)常平坦的(de)(de)(de)頻率響(xiang)應。此外，無膜光學麥(mai)(mai)克風(feng)不僅可以(yi)在(zai)空氣中使(shi)用，還(huan)可以(yi)在(zai)液體中使(shi)用。而且因為水的(de)(de)(de)折射(she)率比空氣的(de)(de)(de)折射(she)率高出(chu)很多（約(yue)1,000倍，與真空中相(xiang)比），這非(fei)常有助于補償靈敏度(du)的(de)(de)(de)損失。在(zai)水或(huo)其(qi)他液體中使(shi)用時，換(huan)能器(qi)可在(zai)高達50MHz的(de)(de)(de)頻率下(xia)工作。另一個有趣的(de)(de)(de)特性是(shi)光學麥(mai)(mai)克風(feng)的(de)(de)(de)脈沖響(xiang)應，因為無慣性傳感器(qi)能夠更好地(di)成像狄拉克脈沖（非(fei)常尖銳的(de)(de)(de)時間尖峰）。

無膜光學麥克風技術(shu)對(dui)于(yu)(yu)超聲(sheng)測(ce)量領域的(de)應用特(te)別有吸引(yin)(yin)力(li)，例如無損檢測(ce)。多(duo)年來，在(zai)不引(yin)(yin)起(qi)損壞的(de)情(qing)況下(xia)確定組(zu)件機械完整性(xing)的(de)方法在(zai)各個行業中一直(zhi)是(shi)至關重要(yao)的(de)。對(dui)于(yu)(yu)制(zhi)造過(guo)程(cheng)中的(de)全面質量控制(zhi)或在(zai)役缺陷評估和(he)監控等目(mu)的(de)，在(zai)過(guo)程(cheng)中犧牲測(ce)試對(dui)象是(shi)不合適的(de)。此類檢查對(dui)于(yu)(yu)hai 軍(jun)、航(hang)(hang)空航(hang)(hang)天和汽車行業以及建筑行業尤(you)其(qi)重(zhong)要，因為材料(liao)(liao)故障會危及人(ren)身安全。在所有(you)(you)這(zhe)些(xie)行業中，對(dui)堅固(gu)和輕(qing)質結構的需求導致近年來采用纖(xian)維(wei)增(zeng)強復(fu)合(he)材料(liao)(liao)，尤(you)其(qi)是碳纖(xian)維(wei)復(fu)合(he)材料(liao)(liao)。與金(jin)屬(shu)相比，它們通常具(ju)有(you)(you)復(fu)雜的層狀結構，具(ju)有(you)(you)各(ge)向異性(xing)的材料(liao)(liao)特(te)性(xing)和需要可(ke)靠(kao)識別的各(ge)種可(ke)能的缺(que)陷類型。因此，開發適用于這(zhe)些(xie)材料(liao)(liao)的無損檢測技術，最  好允許(xu)高度(du)(du)自動化以節省成本并提高檢測(ce)(ce)速度(du)(du)。如上所述，高諧振(zhen)換能器(qi)在脈(mo)沖檢測(ce)(ce)期(qi)(qi)間會振(zhen)蕩多(duo)個(ge)周期(qi)(qi)，導致(zhi)“死區(qu)"顯著(zhu)增加，因此無法進行缺陷(xian)檢測(ce)(ce)。XARION目前正(zheng)致(zhi)力于使用其光學麥克風技術進行單面(mian)無損測(ce)(ce)試其優點是無共振(zhen)響應和大(da)大(da)減(jian)少的死區(qu)。

圖(tu)2，使用光學傳感器(qi)獲得的具有內部缺陷(xian)的碳纖維(wei)復合(he)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(sheng)學過程監測并不新鮮，但(dan)環境噪聲(sheng)會極大(da)地損(sun)害(hai)聲(sheng)學監測系統的預測性能。轉向高(gao)超聲(sheng)頻率（300到900kHz）可以使這種(zhong)監測在統計(ji)上更(geng)加穩(wen)健，因為(wei)在這些頻率下環境噪聲(sheng)大(da)大(da)降低。

雖(sui)然無膜光(guang)學(xue)(xue)麥(mai)克風不(bu)太可能在音樂錄音室中特別有用，但在很多情況下(xia)它(ta)可以極大(da)地(di)幫助傳統的聲學(xue)(xue)計量。由于該傳感(gan)器(qi)與1550nm單模光(guang)纖耦合，因此全光(guang)傳感(gan)器(qi)頭不(bu)受強電(dian)(dian)磁干擾的影響，這(zhe)是(shi)電(dian)(dian)容式聲學(xue)(xue)傳感(gan)器(qi)或(huo)壓(ya)電(dian)(dian)換(huan)能器(qi)是(shi)無能為(wei)力的。例如(ru)，奧地(di)利(li)一(yi)家電(dian)(dian)力公(gong)司正在使用XARION的傳感(gan)器(qi)來測(ce)量高壓(ya)輸電(dian)(dian)線發出(chu)的電(dian)(dian)暈噪(zao)聲：光(guang)學(xue)(xue)傳感(gan)器(qi)安裝在距離承(cheng)載380,000V的電(dian)(dian)纜僅30厘(li)米的位置。

另(ling)一(yi)個(ge)部署了光(guang)(guang)學換能(neng)(neng)器(qi)的(de)(de)苛刻(ke)實(shi)驗環(huan)境是歐洲核子(zi)(zi)研究中心的(de)(de)超級質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)(zi)同步加(jia)速器(qi)（大(da)型強子(zi)(zi)對撞機的(de)(de)加(jia)速器(qi)）的(de)(de)聲(sheng)學監測(ce)(ce)。在這里，在加(jia)速器(qi)隧(sui)道(dao)(dao)中安裝了兩(liang)個(ge)傳(chuan)感器(qi)，以(yi)研究質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)(zi)撞擊(ji)對粒子(zi)(zi)準直器(qi)鉗(qian)口材(cai)料的(de)(de)損(sun)(sun)傷。由于大(da)型強子(zi)(zi)對撞機中的(de)(de)質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)(zi)速度極快(kuai)，非(fei)常(chang)接近(jin)光(guang)(guang)速，它們的(de)(de)能(neng)(neng)量(liang)目前(qian)達(da)到(dao)6.5TeV(~1μJ)，而且由于許多質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)(zi)束同時在加(jia)速器(qi)環(huan)中運動(dong)，總能(neng)(neng)量(liang)能(neng)(neng)量(liang)超過(guo)100兆焦耳。很明顯，質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)(zi)與(yu)隧(sui)道(dao)(dao)管孔的(de)(de)意外碰撞可能(neng)(neng)導(dao)致重大(da)損(sun)(sun)壞。準直系統通過(guo)具有小間隙尺寸的(de)(de)準直器(qi)鉗(qian)口保護(hu)隧(sui)道(dao)(dao)管孔。在受控條件下，各(ge)種不同的(de)(de)金(jin)屬合金(jin)在專門的(de)(de)材(cai)料測(ce)(ce)試中被故意用(yong)質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)(zi)束轟擊(ji)，以(yi)評估它們的(de)(de)穩健(jian)性。目標容器(qi)發射(she)到(dao)周圍隧(sui)道(dao)(dao)空氣中的(de)(de)聲(sheng)壓(ya)級可以(yi)與(yu)沖擊(ji)損(sun)(sun)壞相關聯，是一(yi)種有用(yong)的(de)(de)診斷(duan)工具。加(jia)速質(zhi)(zhi)(zhi)子(zi)(zi)的(de)(de)軔致輻射(she)會(hui)導(dao)致惡(e)劣的(de)(de)環(huan)境，損(sun)(sun)害傳(chuan)統傳(chuan)感器(qi)的(de)(de)功能(neng)(neng)。將光(guang)(guang)學傳(chuan)感器(qi)頭(tou)放置在靠近(jin)撞擊(ji)位(wei)置的(de)(de)位(wei)置，并使用(yong)160米長的(de)(de)光(guang)(guang)纖(xian)連接到(dao)遠(yuan)程激光(guang)(guang)和(he)檢(jian)測(ce)(ce)單元(yuan)，可以(yi)進行測(ce)(ce)量(liang)15。

圖3，CERN的聲(sheng)發射監測，正(zheng)在研究不同材料對質子引(yin)起(qi)的損傷的穩健(jian)性

總而言之，無(wu)膜光學麥克風技(ji)術現(xian)在(zai)正在(zai)展示(shi)其(qi)在(zai)多種不同應用(yong)(yong)中的(de)實(shi)用(yong)(yong)性。廣泛的(de)工作頻率范圍、高靈敏(min)度和(he)毫米(mi)大(da)小的(de)傳感(gan)器(qi)尺寸相(xiang)結合，使(shi)該技(ji)術成為用(yong)(yong)于空氣和(he)液體聲(sheng)學計量的(de)傳統傳感(gan)器(qi)的(de)wan  美(mei)替代品。

關于奧(ao)地(di)利(li)Xarion公司

奧地利Xarion Laser Acoustics GmbH(以下簡(jian)稱Xarion)成立(li)于2012年，是由維也納技術(shu)大學(xue)和樓氏電子合作創立(li)的獨立(li)公司，于2013年推出新型(xing)無振膜光學(xue)麥(mai)克風，實(shi)了現qian 所未有的聲音(yin)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qian 所未(wei)有的(de)頻率帶(dai)寬(kuan)(kuan)，聲波頻率帶(dai)寬(kuan)(kuan)從10Hz擴(kuo)展(zhan)到(dao)2MHz（液體中可達20MHz）；與傳統麥(mai)克風(feng)相比，Eta系列無(wu)振膜(mo)光學麥(mai)克風(feng)沒有任何活(huo)動部件，因此可得到(dao)一個真正(zheng)的(de)時間(jian)脈(mo)沖響應。

Xarion公司Eta系(xi)列(lie)無(wu)振(zhen)膜光學麥(mai)克風應用(yong)場(chang)(chang)景包括：無(wu)耦合(he)液點焊(han)檢(jian)查，碳(tan)纖維復合(he)材料(liao)(如CFRP)的(de)質量(liang)控(kong)制，非(fei)接觸式過程監測(ce)，激光材料(liao)加工聲學質量(liang)監測(ce)，增材制造過程的(de)實時監控(kong)，生產線(xian)和機(ji)器的(de)智能在線(xian)監測(ce)，聲場(chang)(chang)表(biao)征，電磁環境下的(de)測(ce)量(liang)，超聲波發(fa)射器表(biao)征等。

上海昊量光電設備(bei)有限(xian)公(gong)司作(zuo)為(wei)奧地(di)利Xarion公(gong)司在國內(nei)的(de)代理商，為(wei)其提(ti)供專(zhuan)業售(shou)(shou)前、售(shou)(shou)后服務，如果您對無膜(mo)光學麥克風感興趣(qu)，請隨(sui)時與(yu)我們聯系！

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文(wen)章來源：

Optical microphone hears ultrasound，Balthasar Fischer

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