无膜光学麦克风及其应用

1.无膜光学麦克风介绍

　　使用光学手段测量声音的一个常见想法是使用光波来检测由声波引起的悬臂或反射膜的机械运动。然而，基于膜等移动机械部件(无论是在电气还是光学设备中)的麦克风具有局限性，因为它们受到所涉及结构的机械特性的影响，这些结构表现为耦合的弹簧质量系统。例如，包含膜或可机械变形压电材料的麦克风具有几种不同的谐振频率。虽然阻尼系统可以提高设备频率响应的线性度，但它会导致灵敏度降低。

　　XARION Laser Acoustics是一家奥地利初创公司，成立于2012年，是维也纳技术大学的衍生公司，它正在开发一种新型声学传感器，其中声压波由微型法布里-珀罗标准具产生，是纯光学检测。这标准具是由两个平行的毫米级半透明镜组成的小型干涉腔。该传感器的新颖之处在于，它并不像人们想象的那样通过感测腔镜的移动或变形来工作。相反，它的工作原理是感测腔体本身中声音传播介质的折射率的微小变化。来自以连续波模式工作的1550nm激光二极管的1mW光束通过光纤发送至法布里-珀罗标准具。当腔内压力发生变化时，透射(以及反射)光强度会相应地进行调制。监测反射光是因为对于许多应用来说，优选使用单光纤的简单传感器设置。使用光学循环器将进入和离开常规光纤内传感器头的光束分开，从而可以监控来自传感器的反射光。

　　2.通常介质折射率的变化很小

　　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，从声学角度来看，1Pa(~1×10-5环境压力)的交变压力已经相当大了，大致相当于有人在几厘米外对着你的耳朵大声喊叫。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分辨率能力。可以检测到低于10-14的折射率变化，对应于小至1 μPa的压力变化(标准化为1-Hz带宽)。

　　3.无膜光学麦克风的真正优势还在于其他方面

　　由于其反射镜如此小且刚性，它们的机械共振对测量几乎没有影响，并且基于此原理的麦克风可以在次声(从约 5Hz 开始)到 1MHz 的频率范围内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。而且由于水的折射率远高于空气的折射率(与真空中的折射率相比约为 1,000 倍)，这对于补偿灵敏度损失大有帮助。当在水或其他液体中使用时，传感器可以在高达 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对狄拉克脉冲(非常尖锐的时间尖峰)进行成像。

　　4.无膜光学麦克风技术对于无损检测等超声波测量领域的应用特别有吸引力

　　多年来，在不造成损坏的情况下确定部件机械完整性的方法在各个行业中一直至关重要。出于制造过程中的全面质量控制或使用中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。此类检查在海军、航空航天和汽车行业以及建筑行业尤其重要，因为这些行业的材料故障可能会危及人类安全。近年来，在所有这些行业中，对坚固且轻质结构的需求导致了纤维增强复合材料，特别是碳纤维复合材料的采用。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以及需要可靠识别的各种可能的缺陷类型。因此，开发适合这些材料的无损检测技术将理想地实现高度自动化，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过程中会振荡多个周期，导致“死区”显着增加，从而无法进行缺陷检测。 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，优点是无共振响应，大大减少死区。

　　延伸阅读：

　　传统麦克风使用薄膜振动器(例如电容式麦克风或动圈式麦克风)来捕获声音，而无薄膜光学麦克风则采用不同的方法，以下是可能涵盖的一些关键点：

　　1.工作原理：无膜光学麦克风使用光学传感器，例如激光干涉仪或其他光学传感技术，来感测声波对介质的直接影响。声波在介质中引起微小振动，光学传感器测量这些振动并将其转换为电信号。

　　2.优点：该技术的优点之一是无膜光学麦克风可以更准确地测量声波，并且在某些情况下可能具有更高的灵敏度和更宽的频率响应范围。此外，由于无膜光学麦克风不需要传统的膜振动器，因此它们可能具有更长的使用寿命和更好的耐用性。

　　3.应用领域：无膜光学麦克风的潜在应用领域包括录音、通信、声学测量等。由于其技术优势，可能会在一些有特殊需求的领域得到应用。

　　4.技术挑战：无膜光学麦克风虽然具有一些优势，但也可能面临一些技术挑战，例如制造复杂性、成本等，此外，其在实际应用中的性能仍需要测试和验证。

　　需要注意的是，由于技术的不断发展，无膜光学麦克风可能有不同类型和品牌，并且每种无膜光学麦克风可能具有独特的设计和工作原理。