無膜光學(xué)麥克風(fēng)，聽見最寬范圍的聲音

聲學(xué)是一個小量的世界。在日常辦公室談話中，人類耳膜的運(yùn)動大約是0.1 μm。令人印象深刻的是，最先進(jìn)的微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)意味著，即使是1美元的手機(jī)麥克風(fēng)，現(xiàn)在也可以分辨出氫原子直徑1/500的膜運(yùn)動。

因此，當(dāng)試圖用光學(xué)手段測量聲音時，人們面臨著苛刻的技術(shù)規(guī)范。一種常見的方法是光學(xué)檢測懸臂梁或反射膜的聲誘導(dǎo)機(jī)械運(yùn)動。這個想法與共產(chǎn)主義時代的間諜電影有關(guān)，在電影中，特工可以通過光束的偏轉(zhuǎn)來探測窗戶的運(yùn)動，從而偷聽另一個房間里的談話。實(shí)際上，這個想法在更早的時候就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了。

早在1880年，英國著名發(fā)明家亞歷山大·格雷厄姆·貝爾(Alexander Graham Bell)就利用反射膜在陽光照射下的偏差，將語音轉(zhuǎn)化為電信號。然而，基于移動機(jī)械部件(如膜)的麥克風(fēng)——無論是在電氣或光學(xué)設(shè)備中——都有局限性，因?yàn)樗鼈兪艿较嚓P(guān)結(jié)構(gòu)的機(jī)械性能的影響，這些結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為耦合的彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)。例如，含有膜或機(jī)械變形壓電材料的麥克風(fēng)具有幾個不同的共振頻率。阻尼系統(tǒng)可以提高器件頻率響應(yīng)的線性度，但代價是降低靈敏度。

虹科提供一種新的聲學(xué)傳感器系列，其中聲壓波由一個微型Fabry-Pérot ettalon純光學(xué)檢測。這個標(biāo)準(zhǔn)爪是一個由兩個平行的毫米大小的半透明鏡子組成的小干涉腔(圖1)。傳感器的新奇之處在于，它不像人們可能期望的那樣，通過感應(yīng)腔鏡的運(yùn)動或變形來工作。相反，它的工作原理是感知腔內(nèi)聲音傳播介質(zhì)折射率的微小變化。一個1mw的光束，從一個1550nm的激光二極管發(fā)射，在連續(xù)波模式下，通過光纖發(fā)送到Fabry-Pérot標(biāo)準(zhǔn)具。當(dāng)腔內(nèi)的壓力發(fā)生變化時，透射(和反射)光的強(qiáng)度也相應(yīng)地被調(diào)制。由于使用單一光纖的簡單傳感器設(shè)置是許多應(yīng)用的首選，因此可以監(jiān)測反射光。在普通光纖中進(jìn)出傳感器頭的光束使用光學(xué)環(huán)行器進(jìn)行分割，因此可以監(jiān)測來自傳感器的反射光。

無膜光學(xué)麥克風(fēng)。該裝置的原理圖和操作原理，其中聲波或超聲波信號通過修改Fabry-Pérot標(biāo)準(zhǔn)器內(nèi)介質(zhì)的折射率進(jìn)行光學(xué)檢測。

利用電反饋電流將激光發(fā)射波長穩(wěn)定到光腔中。這種穩(wěn)定性對于避免由于波長的微小偏移而導(dǎo)致信號強(qiáng)度的變化很重要，這種變化可能被誤認(rèn)為是腔內(nèi)折射率的變化。此外，環(huán)境溫度或靜壓變化可以得到補(bǔ)償，因?yàn)榕c聲學(xué)事件相比，它們通常發(fā)生在更慢的時間尺度上。

幸運(yùn)的是，因?yàn)樵诼晫W(xué)中，人們只對壓力的交變分量感興趣，而不關(guān)心靜壓，所以可以使用慢速控制電路。溫度、環(huán)境壓力甚至激光漂移等緩慢變化的量都被排除在方程之外。在平衡讀出的幫助下，可以達(dá)到量子射噪聲水平。在20khz帶寬內(nèi)，脈沖噪聲電流約為1na，雖然很低，但對這種聲光換能器構(gòu)成了基本限制。

要解決的折射率變化非常?。涸跇?biāo)準(zhǔn)條件下(室溫，環(huán)境壓力)，如果壓力變化1 Pa，空氣的折射率變化約3 × 10-9(參考5)。然而，從聲學(xué)角度來看，1 Pa的交變壓力(~1 × 10-5的環(huán)境壓力)已經(jīng)相當(dāng)大了;它大致相當(dāng)于有人在你耳邊幾厘米外大喊大叫的水平。因此，一個高性能的麥克風(fēng)需要解決遠(yuǎn)低于1 Pa的壓力。事實(shí)上，無膜光學(xué)傳聲器可以實(shí)現(xiàn)令人印象深刻的壓力分辨率能力。折射率低于10-14可以檢測到6。這對應(yīng)于小到1 μPa的壓力變化(標(biāo)準(zhǔn)化為1- hz帶寬)。具有同等靈敏度的最先進(jìn)的聲學(xué)計(jì)量電容式傳聲器應(yīng)該是直徑1/8英寸的薄膜，因?yàn)椤皞鹘y(tǒng)”聲學(xué)傳聲器的靈敏度隨尺寸而變化。

雖然無膜光學(xué)麥克風(fēng)不受這些尺寸限制，它還具有更明顯的好處：因?yàn)樗姆瓷溏R是如此的小而堅(jiān)硬，它們的機(jī)械共振沒有可測量的影響。因此，基于這一原理的麥克風(fēng)可以從次聲(從大約5 Hz開始，激光漂移開始占主導(dǎo)地位)到1 MHz的超聲頻率具有非常平坦的頻率響應(yīng)。頻率響應(yīng)的上限實(shí)際上是由介質(zhì)本身設(shè)定的，因?yàn)榭諝獾奈諘?qiáng)烈地抑制聲音的傳播。事實(shí)上，在空氣中1-MHz聲波信號的衰減是160 dBm-1的數(shù)量級。

有趣的是，換能器不僅能在空氣中工作，還能在液體中工作。我們可以假定液體在第一近似下是不可壓縮的，但水的折射率比空氣(如果與真空相比)高出1000倍以上，這有助于彌補(bǔ)靈敏度的損失。如果在水或其他液體中使用，換能器的工作頻率可達(dá)50 MHz，其限制是由聲波接近激光束直徑的尺寸8決定的。此時，聲波波長變得非常短，激光束內(nèi)部同時存在壓力最大值和最小值，換能器將不會產(chǎn)生輸出信號。

另一個有趣的特征是光學(xué)傳聲器的脈沖響應(yīng)，因?yàn)闊o慣性換能器能夠更好地成像狄拉克脈沖(一個非常尖銳的時間尖峰)。這對于超聲檢測特別有意義，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的壓電換能器通常被設(shè)計(jì)成高諧振以達(dá)到所需的靈敏度。這不僅會導(dǎo)致窄窄的帶寬，而且還會導(dǎo)致共振引起的振鈴，在這種振鈴中，短聲脈沖會導(dǎo)致脈沖延長50倍或更多。

光學(xué)麥克風(fēng)具有寬探測范圍，不受背景噪聲影響

因此，無膜光學(xué)傳聲器技術(shù)在無損檢測等超聲計(jì)量領(lǐng)域的應(yīng)用尤其具有吸引力。多年來，在不引起損傷的情況下確定部件的機(jī)械完整性的方法在各個行業(yè)中都至關(guān)重要。為了在制造過程中進(jìn)行全面的質(zhì)量控制或在役缺陷評估和監(jiān)控，在過程中犧牲測試對象是不合適的。這種檢查對于海軍、航空航天和汽車工業(yè)以及建筑行業(yè)尤為重要，因?yàn)檫@些行業(yè)的材料故障可能危及人身安全。

在所有這些行業(yè)中，對堅(jiān)固和輕量化結(jié)構(gòu)的渴望導(dǎo)致了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的采用，特別是近年來碳纖維復(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性質(zhì)，并且需要可靠地識別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)是非常重要的，最好能實(shí)現(xiàn)高度自動化，以節(jié)省成本并提高檢測速度。

缺陷檢測的一種方法是使用敏感的、高共振的、聚焦的壓電超聲換能器進(jìn)行超聲測量。然而，如上所述，高諧振換能器在脈沖檢測期間振蕩許多周期，導(dǎo)致“死區(qū)”顯著增加。該術(shù)語表示測試對象的近表面區(qū)域，其中由于主要脈沖、來自樣品表面的反射和由缺陷的后向散射貢獻(xiàn)的實(shí)際信號之間的重疊，使得缺陷檢測變得不可能。虹科目前正致力于利用其光學(xué)傳聲器技術(shù)進(jìn)行單邊無損測試(圖2)，其優(yōu)點(diǎn)是無共振響應(yīng)和大大減少死區(qū)。

用光學(xué)傳感器獲得的有內(nèi)部缺陷的碳纖維復(fù)合材料板的超聲掃描

超聲波技術(shù)另一個有趣的應(yīng)用是工業(yè)過程控制。盡管許多工業(yè)過程，如切削和機(jī)械加工，會產(chǎn)生大量可聽到的噪音，但它們也會產(chǎn)生富含有用信息的超聲波頻譜。這可能是一個快速旋轉(zhuǎn)的鉆頭，產(chǎn)生特定的聲波頻率和相應(yīng)的泛音，或者，舉另一個例子，熱蒸發(fā)過程的聲發(fā)射。進(jìn)一步的例子可以在激光焊接中找到，其中發(fā)射了高達(dá)MHz范圍的高超聲波頻率。

光學(xué)麥克風(fēng)用于工業(yè)過程控制

在后一種情況下，幾百kHz范圍內(nèi)特定光譜成分的振幅與激光焊接的穿透深度緊密對應(yīng)，這是一個與行業(yè)密切相關(guān)的參數(shù)，但很難測量。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)處理來提取有價值的信息。麥克風(fēng)的數(shù)據(jù)流更易于管理，分析也相對容易，至少對于某些應(yīng)用來說是這樣。

聲學(xué)過程監(jiān)測并不新鮮，但是環(huán)境噪聲(在工業(yè)環(huán)境中很可能總是存在)會極大地?fù)p害聲學(xué)監(jiān)測系統(tǒng)的預(yù)測性能。轉(zhuǎn)到高超聲波頻段(300到900千赫)可以使監(jiān)測在統(tǒng)計(jì)上更加可靠，因?yàn)樵谶@些頻率下環(huán)境噪聲大大降低。此外，空氣在這些高頻率下的衰減可以防止從整個生產(chǎn)設(shè)施的噪聲源設(shè)置的干擾。

雖然這種無膜光學(xué)麥克風(fēng)不太可能在音樂錄音棚中特別有用，但在某些情況下，它可以有力地幫助傳統(tǒng)的聲學(xué)計(jì)量學(xué)。由于傳感器耦合到1550納米單模光纖，因此全光傳感器頭不受強(qiáng)電磁干擾的影響。但電容式聲波傳感器或壓電換能器卻不是這樣，因?yàn)樗鼈兊妮敵鲂盘柾ǔ：苋?通常只有幾毫伏)，在惡劣的環(huán)境中，它們往往會在電纜上受到干擾。例如，虹科超聲傳感器已被一家奧地利電力公司用于測量高壓電力線發(fā)出的電暈噪聲:光學(xué)傳感器安裝在距離傳輸380,000 V的電纜僅30厘米的地方。

另一個部署光學(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)直器顎狀材料的損傷(圖3)。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，目前它們的能量達(dá)到6.5 TeV (~1 μJ)，而且由于許多質(zhì)子束同時在加速器環(huán)中運(yùn)動，總能量超過100 MJ。

顯然，質(zhì)子與隧道管道孔徑的不必要碰撞可能導(dǎo)致重大損害。準(zhǔn)直系統(tǒng)通過小間隙的準(zhǔn)直鉗口來保護(hù)隧道管孔徑。在受控條件下，在專門的材料測試中，有目的地用質(zhì)子束轟擊各種不同的金屬合金，以評估它們的魯棒性。目標(biāo)容器向周圍隧道空氣中發(fā)射的聲壓級可以與沖擊損傷相關(guān)聯(lián)，是一種有用的診斷工具。加速質(zhì)子的軔致輻射導(dǎo)致惡劣的環(huán)境，損害了傳統(tǒng)傳感器的功能。將光學(xué)傳感器頭放置在撞擊位置附近，并使用160米長的光纖連接到遠(yuǎn)程定位的激光和探測單元，使測量成為可能。

綜上所述，無膜光學(xué)傳聲器技術(shù)現(xiàn)在在幾個不同的應(yīng)用中展示了它的實(shí)用性。寬頻率范圍的操作，高靈敏度和毫米大小的傳感器尺寸的結(jié)合，使該技術(shù)成為空氣和液體聲學(xué)測量中傳統(tǒng)超聲換能器的有趣替代品。

審核編輯黃宇