基于移動機械部件（如薄膜）的麥克風無論是在電氣設(shè)備還是光學(xué)設(shè)備中都有局限性窿春，奧地利Xarion公司開發(fā)的無膜光學(xué)麥克風技術(shù)現(xiàn)在正在展示其在多種不同應(yīng)用中的實用性。其廣泛的工作頻率范圍采盒、高靈敏度和毫米大小的傳感器尺寸相結(jié)合旧乞，使該技術(shù)成為用于空氣和液體聲學(xué)計量的傳統(tǒng)傳感器的替代品。
展示全部 
無膜光學(xué)麥克風及其應(yīng)用
運用光學(xué)手段測量聲音延赌，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械運動。然而叉橱，基于移動機械部件（如薄膜）的麥克風（無論是在電氣設(shè)備還是光學(xué)設(shè)備中）都有局限性挫以，因為它們都受到所涉及結(jié)構(gòu)機械特性的影響，這些結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為耦合的彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)窃祝。例如掐松，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(tǒng)可以改善設(shè)備頻率響應(yīng)的線性度，但會導(dǎo)致靈敏度的降低大磺。
XARION Laser Acoustics是一家奧地利的初創(chuàng)公司抡句，成立于2012年，是從維也納科技大學(xué)分拆出來的量没，正在開發(fā)一種新型的聲學(xué)傳感器玉转，其中聲壓波由微型法布里-珀羅標準具純光學(xué)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）殴蹄。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)其腔鏡的運動或變形來工作究抓。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袭灯。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標準具刺下。腔內(nèi)壓力發(fā)生變化的那一刻，透射（以及反射）光強度的強度就會被相應(yīng)地進行調(diào)制稽荧。因為對于許多應(yīng)用來說橘茉，使用單根光纖的簡單傳感器設(shè)置是第1選擇，所以對反射光進行監(jiān)測姨丈。在普通光纖內(nèi)進出傳感器頭的光束使用光環(huán)行器分開畅卓，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蟋恬，在標準條件下（室溫翁潘、環(huán)境壓力），如果壓力變化1Pa歼争，空氣的折射率變化約3×10-9拜马。然而，從聲學(xué)的角度來看沐绒，1Pa的交變壓力（~1×10-5的環(huán)境壓力）已經(jīng)相當響亮了俩莽，它大致相當于有人在幾厘米的近距離內(nèi)對著你的耳朵大喊大叫。因此乔遮，高性能麥克風需要解析遠低于1Pa的壓力扮超。事實上，無膜光學(xué)麥克風可以實現(xiàn)令人印象深刻的壓力解析能力申眼÷鹘颍可以檢測到低于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）括尸。
圖1巷蚪，無膜光學(xué)麥克風。a濒翻，設(shè)備的原理圖和工作原理屁柏，通過改變法布里-珀羅標準具內(nèi)介質(zhì)的折射率啦膜，以光學(xué)方式檢測聲波或超聲波信號。b淌喻，制造的傳感器與光纖連接
無膜光學(xué)麥克風真正的好處在于其他地方僧家。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裸删，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(nèi)都具有非常平坦的頻率響應(yīng)八拱。此外，無膜光學(xué)麥克風不僅可以在空氣中使用涯塔，還可以在液體中使用肌稻。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）匕荸，這非常有助于補償靈敏度的損失爹谭。在水或其他液體中使用時，換能器可在高達50MHz的頻率下工作榛搔。另一個有趣的特性是光學(xué)麥克風的脈沖響應(yīng)诺凡，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(xué)麥克風技術(shù)對于超聲測量領(lǐng)域的應(yīng)用特別有吸引力践惑，例如無損檢測腹泌。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(yè)中一直是至關(guān)重要的尔觉。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)控等目的真屯，在過程中犧牲測試對象是不合適的。此類檢查對于海軍穷娱、航空航天和汽車行業(yè)以及建筑行業(yè)尤其重要，因為材料故障會危及人身安全运沦。在所有這些行業(yè)中泵额，對堅固和輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的需求導(dǎo)致近年來采用纖維增強復(fù)合材料，尤其是碳纖維復(fù)合材料携添。與金屬相比嫁盲，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烈掠。因此羞秤，開發(fā)適用于這些材料的無損檢測技術(shù)，z好允許高度自動化以節(jié)省成本并提高檢測速度左敌。如上所述瘾蛋，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)”顯著增加矫限，因此無法進行缺陷檢測哺哼。XARION目前正致力于使用其光學(xué)麥克風技術(shù)進行單面無損測試其優(yōu)點是無共振響應(yīng)和大大減少的死區(qū)佩抹。
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)過程控制取董。盡管許多工業(yè)過程（例如切削和加工）會產(chǎn)生大量可聽噪聲棍苹，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)的鉆頭茵汰，它產(chǎn)生特定的聲頻和相應(yīng)的泛音枢里；在激光焊接中的熱蒸發(fā)同樣會發(fā)射高達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)蹂午。使用攝像機的光學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)很常見栏豺，但通常需要復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理來提取有價值的信息。光學(xué)麥克風的數(shù)據(jù)流更易于管理画侣，分析也相對容易冰悠。
聲學(xué)過程監(jiān)測并不新鮮，但環(huán)境噪聲會極大地損害聲學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)的預(yù)測性能配乱。轉(zhuǎn)向高超聲頻率（300到900kHz）可以使這種監(jiān)測在統(tǒng)計上更加穩(wěn)健溉卓，因為在這些頻率下環(huán)境噪聲大大降低。
雖然無膜光學(xué)麥克風不太可能在音樂錄音室中特別有用搬泥，但在很多情況下它可以極大地幫助傳統(tǒng)的聲學(xué)計量桑寨。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忿檩，這是電容式聲學(xué)傳感器或壓電換能器是無能為力的尉尾。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)換能器的苛刻實驗環(huán)境是歐洲核子研究中心的超級質(zhì)子同步加速器（大型強子對撞機的加速器）的聲學(xué)監(jiān)測。在這里无切，在加速器隧道中安裝了兩個傳感器癣猾，以研究質(zhì)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(zhì)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(zhì)子束同時在加速器環(huán)中運動吆豹，總能量能量超過100兆焦耳。很明顯理盆，質(zhì)子與隧道管孔的意外碰撞可能導(dǎo)致重大損壞痘煤。準直系統(tǒng)通過具有小間隙尺寸的準直器鉗口保護隧道管孔。在受控條件下猿规，各種不同的金屬合金在專門的材料測試中被故意用質(zhì)子束轟擊衷快，以評估它們的穩(wěn)健性。目標容器發(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)坎拐，是一種有用的診斷工具烦磁。加速質(zhì)子的軔致輻射會導(dǎo)致惡劣的環(huán)境养匈，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都伪，并使用160米長的光纖連接到遠程激光和檢測單元呕乎，可以進行測量15。
圖3陨晶，CERN的聲發(fā)射監(jiān)測猬仁，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)麥克風技術(shù)現(xiàn)在正在展示其在多種不同應(yīng)用中的實用性先誉。廣泛的工作頻率范圍湿刽、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)計量的傳統(tǒng)傳感器的替代品褐耳。
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年诈闺，是由維也納技術(shù)大學(xué)和樓氏電子合作創(chuàng)立的獨立公司，于2013年推出新型無振膜光學(xué)麥克風铃芦，實了現(xiàn)前所未有的聲音解析度雅镊。
Xarion公司研制開發(fā)的Eta系列無振膜光學(xué)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）刃滓；與傳統(tǒng)麥克風相比仁烹，Eta系列無振膜光學(xué)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(yīng)咧虎。
Xarion公司Eta系列無振膜光學(xué)麥克風應(yīng)用場景包括：無耦合液點焊檢查卓缰，碳纖維復(fù)合材料(如CFRP)的質(zhì)量控制，非接觸式過程監(jiān)測砰诵，激光材料加工聲學(xué)質(zhì)量監(jiān)測征唬，增材制造過程的實時監(jiān)控，生產(chǎn)線和機器的智能在線監(jiān)測茁彭，聲場表征鳍鸵，電磁環(huán)境下的測量，超聲波發(fā)射器表征等尉间。
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)售前击罪、售后服務(wù)哲嘲，如果您對無膜光學(xué)麥克風感興趣，請隨時與我們聯(lián)系媳禁！
更多詳情請聯(lián)系昊量光電/歡迎直接聯(lián)系昊量光電
關(guān)于昊量光電：
上海昊量光電設(shè)備有限公司是光電產(chǎn)品專業(yè)代理商眠副，產(chǎn)品包括各類激光器、光電調(diào)制器竣稽、光學(xué)測量設(shè)備囱怕、光學(xué)元件等霍弹，涉及應(yīng)用涵蓋了材料加工、光通訊娃弓、生物醫(yī)療典格、科學(xué)研究、國防台丛、量子光學(xué)耍缴、生物顯微、物聯(lián)傳感挽霉、激光制造等防嗡；可為客戶提供完整的設(shè)備安裝，培訓(xùn)侠坎，硬件開發(fā)蚁趁，軟件開發(fā)，系統(tǒng)集成等服務(wù)实胸。
您可以通過我們昊量光電的官方網(wǎng)站www.wjjzl.com了解更多的產(chǎn)品信息他嫡，或直接來電咨詢4006-888-532。
文章來源：
Optical microphone hears ultrasound童芹，Balthasar Fischer
參考文獻：
1. Zhang, X. et al. J. Assoc. Res. Otolaryngology 15, 867–881 (2014).
2. Bilaniuk, N. Appl. Acoust. 50, 35–63 (1996).
3. Chandler, S. J. Acoust. Soc. Am. 30, 644–645 (1958).
4. Bell, A. G. Am. J. Sci. 20, 305–324 (1880).
5. Philip, E. C. Appl. Optics 35, 1566–1573 (1996).
6. Fischer, B. Development of an Optical Microphone without Membrane PhD thesis, Vienna University of Technology (2010).
7. Bass, H. E., Sutherland, L. C. & Zuckerwar, A. J. J. Acoust. Soc. Am. 88, 2019–2020 (1990).
8. Rohringer, W. et al. Proc. SPIE 9708, 970815 (2016).
9. Kreutzbruck, M., Pelkner, M., Gaal, M., Daschewski, M. & Brackrock, D. In Proc. 12th Int. Conf. Slovenian Soc. for NonDestructive Testing 2013 303–314 (2013).
10. Wooldridge, A. B. & Chapman, R. K. in Improving the Effectiveness and Reliability of Non-Destructive Testing — A
Volume in Non Destructive Testing and Materials Evaluation Ch. 4, 88 (Pergamon, 1992).
11. Potter, K., Khan, B., Wisnom, M., Bell, T. & Stevens, J. Composites Part A 39, 1343–1354 (2008).
12. Wong, S. B. Non-Destructive Testing — Theory, Practice and Industrial Applications (Lambert Academic, 2014).
13. Pelianov, I. et al. Photoacoustics 2, 63–74 (2014).
14. Bastuck, M., Herrmann, H.-G., Wolter, B., Zinn, P.-C. & Zaeh, R.-K. In Proc. 34th Int. Congress Applications Lasers &
Electro-Optics 601 (2015).
15. Fischer, B., Deboy, D. & Zotter, S. In 19th World Congress on Non-Destructive Testing Tu.1.F (2016).
16. Guruschkin, E. Berührungslose Prüfung von Faserverbundwerkstoffen mit Luftultraschall MSc thesis, Technical
展示全部