無膜光學麥克風，聽見最寬范圍的聲音

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

因此，當試圖用光學手段測量聲音時，人們面臨著苛刻的技術(shù)規(guī)范。一種常見的方法是光學檢測懸臂梁或反射膜的聲誘導機械運動。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)來探測窗戶的運動，從而偷聽另一個房間里的談話。實際上，這個想法在更早的時候就已經(jīng)實現(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，基于移動機械部件(如膜)的麥克風——無論是在電氣或光學設(shè)備中——都有局限性，因為它們受到相關(guān)結(jié)構(gòu)的機械性能的影響，這些結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為耦合的彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)。例如，含有膜或機械變形壓電材料的麥克風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傳感器系列，其中聲壓波由一個微型Fabry-Pérot ettalon純光學檢測。這個標準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標準具。當腔內(nèi)的壓力發(fā)生變化時，透射(和反射)光的強度也相應(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。在普通光纖中進出傳感器頭的光束使用光學環(huán)行器進行分割，因此可以監(jiān)測來自傳感器的反射光。

無膜光學麥克風。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標準器內(nèi)介質(zhì)的折射率進行光學檢測。

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致信號強度的變化很重要，這種變化可能被誤認為是腔內(nèi)折射率的變化。此外，環(huán)境溫度或靜壓變化可以得到補償，因為與聲學事件相比，它們通常發(fā)生在更慢的時間尺度上。

幸運的是，因為在聲學中，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?。涸跇藴蕳l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)相當大了;它大致相當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需要解決遠低于1 Pa的壓力。事實上，無膜光學傳聲器可以實現(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(標準化為1- hz帶寬)。具有同等靈敏度的最先進的聲學計量電容式傳聲器應(yīng)該是直徑1/8英寸的薄膜，因為“傳統(tǒng)”聲學傳聲器的靈敏度隨尺寸而變化。

雖然無膜光學麥克風不受這些尺寸限制，它還具有更明顯的好處：因為它的反射鏡是如此的小而堅硬，它們的機械共振沒有可測量的影響。因此，基于這一原理的麥克風可以從次聲(從大約5 Hz開始，激光漂移開始占主導地位)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)的上限實際上是由介質(zhì)本身設(shè)定的，因為空氣的吸收會強烈地抑制聲音的傳播。事實上，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傳聲器的脈沖響應(yīng)，因為無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，因為傳統(tǒng)的壓電換能器通常被設(shè)計成高諧振以達到所需的靈敏度。這不僅會導致窄窄的帶寬，而且還會導致共振引起的振鈴，在這種振鈴中，短聲脈沖會導致脈沖延長50倍或更多。

光學麥克風具有寬探測范圍，不受背景噪聲影響

因此，無膜光學傳聲器技術(shù)在無損檢測等超聲計量領(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，因為這些行業(yè)的材料故障可能危及人身安全。

在所有這些行業(yè)中，對堅固和輕量化結(jié)構(gòu)的渴望導致了纖維增強復合材料的采用，特別是近年來碳纖維復合材料。與金屬相比，它們通常具有復雜的層狀結(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的實際信號之間的重疊，使得缺陷檢測變得不可能。虹科目前正致力于利用其光學傳聲器技術(shù)進行單邊無損測試(圖2)，其優(yōu)點是無共振響應(yīng)和大大減少死區(qū)。

用光學傳感器獲得的有內(nèi)部缺陷的碳纖維復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。進一步的例子可以在激光焊接中找到，其中發(fā)射了高達MHz范圍的高超聲波頻率。

光學麥克風用于工業(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。使用攝像機的光學監(jiān)控系統(tǒng)很常見，但通常需要復雜的數(shù)據(jù)處理來提取有價值的信息。麥克風的數(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)會極大地損害聲學監(jiān)測系統(tǒng)的預測性能。轉(zhuǎn)到高超聲波頻段(300到900千赫)可以使監(jiān)測在統(tǒng)計上更加可靠，因為在這些頻率下環(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。

雖然這種無膜光學麥克風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)的聲學計量學。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，因為它們的輸出信號通常很弱(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)子撞擊對粒子準直器顎狀材料的損傷(圖3)。由于大型強子對撞機中的質(zhì)子速度極快，非常接近光速，目前它們的能量達到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致重大損害。準直系統(tǒng)通過小間隙的準直鉗口來保護隧道管孔徑。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)子的軔致輻射導致惡劣的環(huán)境，損害了傳統(tǒng)傳感器的功能。將光學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測量中傳統(tǒng)超聲換能器的有趣替代品。

審核編輯黃宇