无膜光学麦克风及其应用

运用光学手段测量声音，一种常见的思路是通过光波来检测声波诱导的悬臂或反射膜的机械运动。然而，基于移动机械部件（如薄膜）的麦克风（无论是在电气设备还是光学设备中）都有局限性，因为它们都受到所涉及结构机械特性的影响，这些结构表现为耦合的弹簧-质量系统。例如，包含薄膜或可机械变形的压电材料的麦克风具有几个不同的共振频率。虽然阻尼系统可以改善设备频率响应的线性度，但会导致灵敏度的降低。

XARION Laser Acoustics是一家奥地利的初创公司，成立于2012年，是从维也纳科技大学分拆出来的，正在开发一种新型的声学传感器，其中声压波由微型法布里-珀罗标准具纯光学检测。该标准具是由两个平行的毫米大小的半透明镜形成的小型干涉腔（如图1所示）。这种传感器的新颖之处在于它不会像人们预期的那样通过感应其腔镜的运动或变形来工作。相反，它通过感应腔体本身的声音传播介质的折射率的微小变化来工作。以连续波模式工作的1550nm激光二极管发出的1mW光束通过光纤发送到Fabry-Pérot标准具。腔内压力发生变化的那一刻，透射（以及反射）光强度的强度就会被相应地进行调制。因为对于许多应用来说，使用单根光纤的简单传感器设置是首选，所以对反射光进行监测。在普通光纤内进出传感器头的光束使用光环行器分开，从而可以监测传感器的反射光。

通常介质的折射率变化是非常小的，在标准条件下（室温、环境压力），如果压力变化1Pa，空气的折射率变化约3×10-9。然而，从声学的角度来看，1Pa的交变压力（~1×10-5的环境压力）已经相当响亮了，它大致相当于有人在几厘米的近距离内对着你的耳朵大喊大叫。因此，高性能麦克风需要解析远低于1Pa的压力。事实上，无膜光学麦克风可以实现令人印象深刻的压力解析能力。可以检测到低于10–14的折射率变化，对应于小至1μPa的压力变化（归一化为1-Hz带宽）。

 

图1.无膜光学麦克风。a.设备的原理图和工作原理，通过改变法布里-珀罗标准具内介质的折射率，以光学方式检测声波或超声波信号。b.制造的传感器与光纤连接

无膜光学麦克风真正的好处在于其他地方。因为它的镜子是如此的小而坚硬，它们的机械共振几乎对测量没有影响，基于此原理的麦克风可以在从次声（从大约5Hz开始）到1MHz的频率范围内都具有非常平坦的频率响应。此外，无膜光学麦克风不仅可以在空气中使用，还可以在液体中使用。而且因为水的折射率比空气的折射率高出很多（约1,000倍，与真空中相比），这非常有助于补偿灵敏度的损失。在水或其他液体中使用时，换能器可在高达50MHz的频率下工作。另一个有趣的特性是光学麦克风的脉冲响应，因为无惯性传感器能够更好地成像狄拉克脉冲（非常尖锐的时间尖峰）。

无膜光学麦克风技术对于超声测量领域的应用特别有吸引力，例如无损检测。多年来，在不引起损坏的情况下确定组件机械完整性的方法在各个行业中一直是至关重要的。对于制造过程中的全面质量控制或在役缺陷评估和监控等目的，在过程中牺牲测试对象是不合适的。此类检查对于海军、航空航天和汽车行业以及建筑行业尤其重要，因为材料故障会危及人身安全。在所有这些行业中，对坚固和轻质结构的需求导致近年来采用纤维增强复合材料，尤其是碳纤维复合材料。与金属相比，它们通常具有复杂的层状结构，具有各向异性的材料特性和需要可靠识别的各种可能的缺陷类型。因此，开发适用于这些材料的无损检测技术，最好允许高度自动化以节省成本并提高检测速度。如上所述，高谐振换能器在脉冲检测期间会振荡多个周期，导致“死区”显着增加，因此无法进行缺陷检测。XARION目前正致力于使用其光学麦克风技术进行单面无损测试其优点是无共振响应和大大减少的死区。

 

图2.使用光学传感器获得的具有内部缺陷的碳纤维复合板的超声波扫描