運(yùn)用光學(xué)手段測量聲音，一種常見的思路是通過光波來檢測聲波誘導(dǎo)的懸臂或反射膜的機(jī)械運(yùn)動。然而，基于移動機(jī)械部件（如薄膜）的麥克風(fēng)（無論是在電氣設(shè)備還是光學(xué)設(shè)備中）都有局限性，因為它們都受到所涉及結(jié)構(gòu)機(jī)械特性的影響，這些結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為耦合的彈簧-質(zhì)量系統(tǒng)。例如，包含薄膜或可機(jī)械變形的壓電材料的麥克風(fēng)具有幾個不同的共振頻率。雖然阻尼系統(tǒng)可以改善設(shè)備頻率響應(yīng)的線性度，但會導(dǎo)致靈敏度的降低。

XARION Laser Acoustics是一家奧地利的初創(chuàng)公司，成立于2012年，是從維也納科技大學(xué)分拆出來的，正在開發(fā)一種新型的聲學(xué)傳感器，其中聲壓波由微型法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具純光學(xué)檢測。該標(biāo)準(zhǔn)具是由兩個平行的毫米大小的半透明鏡形成的小型干涉腔（如圖1所示）。這種傳感器的新穎之處在于它不會像人們預(yù)期的那樣通過感應(yīng)其腔鏡的運(yùn)動或變形來工作。相反，它通過感應(yīng)腔體本身的聲音傳播介質(zhì)的折射率的微小變化來工作。以連續(xù)波模式工作的1550nm激光二極管發(fā)出的1mW光束通過光纖發(fā)送到Fabry-Pérot標(biāo)準(zhǔn)具。腔內(nèi)壓力發(fā)生變化的那一刻，透射（以及反射）光強(qiáng)度的強(qiáng)度就會被相應(yīng)地進(jìn)行調(diào)制。因為對于許多應(yīng)用來說，使用單根光纖的簡單傳感器設(shè)置是首選，所以對反射光進(jìn)行監(jiān)測。在普通光纖內(nèi)進(jìn)出傳感器頭的光束使用光環(huán)行器分開，從而可以監(jiān)測傳感器的反射光。

通常介質(zhì)的折射率變化是非常小的，在標(biāo)準(zhǔn)條件下（室溫、環(huán)境壓力），如果壓力變化1Pa，空氣的折射率變化約3×10-9。然而，從聲學(xué)的角度來看，1Pa的交變壓力（~1×10-5的環(huán)境壓力）已經(jīng)相當(dāng)響亮了，它大致相當(dāng)于有人在幾厘米的近距離內(nèi)對著你的耳朵大喊大叫。因此，高性能麥克風(fēng)需要解析遠(yuǎn)低于1Pa的壓力。事實上，無膜光學(xué)麥克風(fēng)可以實現(xiàn)令人印象深刻的壓力解析能力。可以檢測到低于10–14的折射率變化，對應(yīng)于小至1μPa的壓力變化（歸一化為1-Hz帶寬）。

 

圖1.無膜光學(xué)麥克風(fēng)。a.設(shè)備的原理圖和工作原理，通過改變法布里-珀羅標(biāo)準(zhǔn)具內(nèi)介質(zhì)的折射率，以光學(xué)方式檢測聲波或超聲波信號。b.制造的傳感器與光纖連接

無膜光學(xué)麥克風(fēng)真正的好處在于其他地方。因為它的鏡子是如此的小而堅硬，它們的機(jī)械共振幾乎對測量沒有影響，基于此原理的麥克風(fēng)可以在從次聲（從大約5Hz開始）到1MHz的頻率范圍內(nèi)都具有非常平坦的頻率響應(yīng)。此外，無膜光學(xué)麥克風(fēng)不僅可以在空氣中使用，還可以在液體中使用。而且因為水的折射率比空氣的折射率高出很多（約1,000倍，與真空中相比），這非常有助于補(bǔ)償靈敏度的損失。在水或其他液體中使用時，換能器可在高達(dá)50MHz的頻率下工作。另一個有趣的特性是光學(xué)麥克風(fēng)的脈沖響應(yīng)，因為無慣性傳感器能夠更好地成像狄拉克脈沖（非常尖銳的時間尖峰）。

無膜光學(xué)麥克風(fēng)技術(shù)對于超聲測量領(lǐng)域的應(yīng)用特別有吸引力，例如無損檢測。多年來，在不引起損壞的情況下確定組件機(jī)械完整性的方法在各個行業(yè)中一直是至關(guān)重要的。對于制造過程中的全面質(zhì)量控制或在役缺陷評估和監(jiān)控等目的，在過程中犧牲測試對象是不合適的。此類檢查對于海軍、航空航天和汽車行業(yè)以及建筑行業(yè)尤其重要，因為材料故障會危及人身安全。在所有這些行業(yè)中，對堅固和輕質(zhì)結(jié)構(gòu)的需求導(dǎo)致近年來采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，尤其是碳纖維復(fù)合材料。與金屬相比，它們通常具有復(fù)雜的層狀結(jié)構(gòu)，具有各向異性的材料特性和需要可靠識別的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)，最好允許高度自動化以節(jié)省成本并提高檢測速度。如上所述，高諧振換能器在脈沖檢測期間會振蕩多個周期，導(dǎo)致“死區(qū)”顯著增加，因此無法進(jìn)行缺陷檢測。XARION目前正致力于使用其光學(xué)麥克風(fēng)技術(shù)進(jìn)行單面無損測試其優(yōu)點是無共振響應(yīng)和大大減少的死區(qū)。

 

圖2.使用光學(xué)傳感器獲得的具有內(nèi)部缺陷的碳纖維復(fù)合板的超聲波掃描