无膜光学麦克风及其应用

超声波技术的另一个有趣应用是工业过程控制。尽管许多工业过程（例如切削和加工）会产生大量可听噪声，但它们也会产生包含丰富有用信息的超声频谱。例如一个快速旋转的钻头，它产生特定的声频和相应的泛音；在激光焊接中的热蒸发同样会发射高达MHz范围的高超声频率。数百kHz范围内的特定光谱分量的幅度通常是很难测量的参数。使用摄像机的光学监控系统很常见，但通常需要复杂的数据处理来提取有价值的信息。光学麦克风的数据流更易于管理，分析也相对容易。

声学过程监测并不新鲜，但环境噪声会极大地损害声学监测系统的预测性能。转向高超声频率（300到900kHz）可以使这种监测在统计上更加稳健，因为在这些频率下环境噪声大大降低。

虽然无膜光学麦克风不太可能在音乐录音室中特别有用，但在很多情况下它可以极大地帮助传统的声学计量。由于该传感器与1550nm单模光纤耦合，因此全光传感器头不受强电磁干扰的影响，这是电容式声学传感器或压电换能器是无能为力的。例如，奥地利一家电力公司正在使用XARION的传感器来测量高压输电线发出的电晕噪声：光学传感器安装在距离承载380,000V的电缆仅30厘米的位置。

另一个部署了光学换能器的苛刻实验环境是欧洲核子研究中心的超级质子同步加速器（大型强子对撞机的加速器）的声学监测。在这里，在加速器隧道中安装了两个传感器，以研究质子撞击对粒子准直器钳口材料的损伤。由于大型强子对撞机中的质子速度极快，非常接近光速，它们的能量目前达到6.5TeV(~1μJ)，而且由于许多质子束同时在加速器环中运动，总能量能量超过100兆焦耳。很明显，质子与隧道管孔的意外碰撞可能导致重大损坏。准直系统通过具有小间隙尺寸的准直器钳口保护隧道管孔。在受控条件下，各种不同的金属合金在专门的材料测试中被故意用质子束轰击，以评估它们的稳健性。目标容器发射到周围隧道空气中的声压级可以与冲击损坏相关联，是一种有用的诊断工具。加速质子的轫致辐射会导致恶劣的环境，损害传统传感器的功能。将光学传感器头放置在靠近撞击位置的位置，并使用160米长的光纤连接到远程激光和检测单元，可以进行测量15。

 

图3.CERN的声发射监测，正在研究不同材料对质子引起的损伤的稳健性

总而言之，无膜光学麦克风技术现在正在展示其在多种不同应用中的实用性。广泛的工作频率范围、高灵敏度和毫米大小的传感器尺寸相结合，使该技术成为用于空气和液体声学计量的传统传感器的完美替代品。

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