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

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。