CN105323689A - 光麦克风及其使用方法 - Google Patents

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Abstract

描述了一种光麦克风(10)和使用其的方法。光麦克风(10)包括：光源(11)，配置为发射光束；以及声传感器(12)，配置为反射光束。声传感器(12)包括单壁纳米管，并且响应于压力波偏转。光麦克风(10)的可选反射器(15)配置为重新反射来自声传感器(12)的光束。检测器(13)配置为检测来自声传感器(12)或者反射器(15)的光束，并且由此测量压力波。

Description

光麦克风及其使用方法
技术领域
本发明涉及光麦克风及其使用方法。更具体地，本发明涉及包括声传感器的光麦克风，该声传感器包含纳米管并且响应于声压力波偏转。
背景技术
光麦克风通过检测光束而不是和常规麦克风一样感测电容或者磁场的改变，将声压力波转换为电信号。因为光麦克风不对电场和磁场作出反应并且对于热和潮湿是鲁棒的，所以它们在常规麦克风被无效地或者危险地使用的地方(诸如工业汽轮机或者在磁共振成像(MRI)设备环境中)是理想的。
光麦克风一般包括光源、诸如具有反射表面的薄膜之类的声传感器、诸如光纤之类的光传送器和光检测器。光源发射由传送器传送并且引导至声传感器的光束。声传感器是可以检测到声压力波并且将光束反射至光检测器的声敏体。依赖于检测到的声压力波，声传感器反射随后通过检测器变换为电信号的不同性质的光束。可以由此分析和测量声压力波。
因为光麦克风中的声薄膜检测光束而不是电信号，所以光麦克风的大小可以比常规麦克风的大小小得多。然而，仍然存在对要用在诸如人体的医疗应用之类的特定情况下使用的甚至更小的光麦克风的需要。
此外，因为声薄膜的振动模式直接被传送到检测器，所以当薄膜的振动模式快速并且混乱时，检测可能不准确并且不可靠。在该情况下，将难于区分真实信号和噪声。存在改进光麦克风的检测的信噪比(SNR)的需要。
发明内容
因此，本发明的目的是提出一种改进的光麦克风和使用其的方法。
根据本发明的光麦克风的优选实施例包括：光源，配置为发射光束；以及声传感器，配置为反射从光源发射的光束。声传感器包括平行对齐的单壁纳米管并且响应于压力波偏转。平行对齐的单壁纳米管优选是阵列形式。光麦克风还包括检测器，配置为检测由声传感器反射的光束。
在本发明的一个优选实施例中，光麦克风还包括反射器，包括多壁纳米管并且配置为重新反射来自声传感器的光束。检测器然后配置为检测来自反射器的重新反射的光束。反射器可选是薄膜反射器，在薄膜反射器上随机或者伪随机布置多壁纳米管。
在本发明的一个优选实施例中，光麦克风还包括偏振器，配置为偏振从光源发射的光束。
在本发明的一个优选实施例中，声传感器还包括基衬底，单壁纳米管布置在基衬底上。单壁纳米管的纳米管轴与衬底表面垂直。
对于本发明的一个优选实施例，光麦克风还有有利地包括外壳，其中包含光源、声传感器、和/或检测器、和/或反射器、和/或偏振器、和/或其它补充麦克风元件。外壳优选地包括内壁和保护元件。
在本发明的一个优选实施例中，外壳的内壁由单壁纳米管组成，单壁纳米管优选具有非金属特性并且是大量对齐的SWNT的形式。保护元件布置在声传感器附近，用于保护声传感器免受污染。
相应地，本发明的一种用于检测声压力波的方法包括：发射光束，以及使用声传感器来反射发射的光束。声传感器包括平行对齐的单壁纳米管并且响应于压力波偏转。
在一个优选实施例中，该方法还包括：使用反射器来重新反射来自声传感器的光束；以及检测来自反射器的重新反射的光束。
本发明的光麦克风通过使用其声传感器检测声压力波。声传感器当经受声压力波时偏转并且相应地反射来自光麦克风的光源的光束。通过利用检测器检测反射的光束，通过光麦克风检测和测量声压力波。因为声传感器包括纳米管，所以声传感器以及由此的光麦克风的尺寸变得相当小，其由此可以在特殊条件下使用。通过使用反射器重新反射光束，可以实现光束的高反射，并且因此光检测器可以瞄准并检测折射束。由此改进声压力波的测量和光束的测量。
附图说明
为了更好地理解，现在将参考附图在下面的描述中更详细说明本发明。理解本发明不限于该公开的示例性实施例并且也可以在不脱离所附权利要求中定义的本发明的范围的情况下，方便地组合和/或修改具体的特征。
图1是图示根据本发明的光麦克风的一个优选实施例的示意图。
图2是图示根据本发明的光麦克风的另一优选实施例的示意图。
图3是图示根据本实施例的方法的一个优选实施例的流程图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的光麦克风的示例性实施例。光麦克风10包括配置为发射光束的光源11和包括平行对齐的单壁纳米管(SWNT)的声传感器12。声传感器12响应于压力波(例如，声压力波)偏转，并且配置为反射从光源11发射的光束。声传感器12的平行对齐的SWNT以SWNT的纳米管轴相互平行的方式布置。优选SWNT特别是碳纳米管。
此外，光麦克风12包括用以检测由声传感器12反射的光束的检测器13。检测器13可以是对于光检测可行并且有用的任何类型的检测器。
优选地，光源11和声传感器12相应地被定位，以使得来自光源11的光束被照射在声传感器12的SWNT的侧壁上。例如，如图1中所示，光源11定位在声传感器12下面，并且朝上发射光束到声传感器12的SWNT的侧壁上。然而，应该理解，光源11和声传感器12也可以被水平对齐或者以任何其他合适的配置定位。
本发明的光麦克风10配置为使用声传感器12的偏转检测声压力波。因为主要包括SWNT的声传感器12的尺寸和因此整个光麦克风10的尺寸相当小，所以以更高或者更低的频率撞击在光麦克风10上的声压力波可以被认为是平面波。
当平面波撞击在声传感器12的SWNT上时，SWNT由于SWNT上的波的力根据平面波的密度和方向有区别地偏转。SWNT的偏转影响并且改变从光源11发射的光束的反射，该反射然后由检测器13检测到。如图1和2中所示，光束的反射角度(例如，角度α)与SWNT的偏转有关并且与其成比例，因此可以由光麦克风10测量撞击的声压力波。
优选地，声传感器12中包括的SWNT以平行对齐的SWNT阵列的形式。更优选地，SWNT阵列的SWNT相互隔离并且分离。SWNT阵列的隔离的SWNT当遭受声压力波时分别偏转并且当波消失时移回其原始位置。因为没有捆绑SWNT，所以不存在范德瓦尔斯力，由此当不存在来自压力波的外部力时，SWNT可以恢复它们的默认情况。更优选地，SWNT阵列的SWNT具有金属特性，即，扶手型偏光力(armchairchirality)。金属SWNT是已知的并且用于宽光谱的光的反射。在该情况下，可以通过将具有金属特性的SWNT安装在具有非金属特性的衬底上实现它们的隔离。
可选地，光源11是发射聚焦相干光束的激光器，并且偏振器14定位在光源11的前面，以偏振从光源发射的光束。在[I]中，示出当光偏振与纳米管轴垂直时，SWNT的光吸收被强烈地抑制。因此，当使用具有与声传感器12的SWNT的纳米管轴正交的线性偏振的激光束时，可以实现光束的高反射，这导致光束以及声压力波的改进检测。在该情况下，也考虑拉曼或者瑞利(非弹性或者弹性)散射。在[II]中，SWNT的拉曼和瑞利分光研究已经显示出强烈的偏振依赖。可选地，为了实现光麦克风的进一步更小的尺寸，间接经由单个光纤激活的纳米管可以用作激光束的光源11。
声传感器12还可以包括基衬底121，在基衬底121上布置SWNT阵列的SWNT。优选SWNT的纳米管轴与衬底表面垂直，如图1中所示。更优选地，基衬底121是非金属并且由具有低反射率的材料组成，这可以防止来自基衬底121的光束的检测和反射的干扰。
图2示出根据本发明的光麦克风的另一示例性实施例。该实施例与第一实施例不同，这是因为光麦克风10还包括配置为重新反射来自声传感器12的光束的反射器15。重新反射的光束随后由检测器13检测到。当然，检测器13、反射器15和其他麦克风元件的配置可以是灵活的并且与先前的实施例不同。优选地，反射器15包括多壁纳米管(MWNT)。更优选地，反射器15是MWNT可以在其上随机或者伪随机布置的薄膜反射器。在[III]中，示出随机定向MWNT类似反射镜地表现。反射器15改进光束的高反射并且使得光束的高反射成为可能，使得检测器13可以瞄准反射的光束，由此光束和声压力波可以精确地被分析和测量。
如图2中所示，声传感器12响应于各种压力波有区别地偏转并且相应地反射光束。因此对于第一次反射和重新反射的光束的反射角度(例如，角度α和β)相互相关，所以可以基于截线定理检测不直接与声压力波对应的光束的移位。此外，可以设计反射器15以在反射光束的同时，修改该光束，例如，光束的波长和/或频率。通过同时反射和修改光束，简化整个测量过程的前处理步骤，并且由此减少其成本。
对于本发明的光麦克风的另一优选实施例，光麦克风10还包括外壳16，如图2中所示。外壳16配置为在其中包含光源11、声传感器12、检测器13、可选的偏振器14和反射器15、以及光麦克风10的其他补充元件。例如，图2中的示例性外壳是中空的圆柱形容器。优选地，外壳16包括内壁161，内壁161防止具有各种入射角度的光束的反射并且防止麦克风元件免受污染。以该方式，减少检测到的光束的噪声，并且改进光束和由此的声压力波的检测和测量。
内壁161的一个实施例由SWNT组成，SWNT优选具有非金属特性并且是大量对齐的SWNT的形式。在[I]中示出，如果漫射光在纳米管轴的方向上发光，则大量平行对齐的非金属SWNT类似于黑体地表现。相应地，内壁161的非金属SWNT可以防止多种入射角度的光反射，由此减少背景噪声并且改进声压力波的检测。内壁161的非金属SWNT的更高密度是优选的，这意味着防止不期望光反射的更好效果。相对于内壁161和/或光麦克风10的其他元件的非金属SWNT的对齐依赖于光源11、声传感器12等的对应配置是灵活的并且是可调整的。例如，在图2中所示的实施例中，非金属SWNT优选地以使得非金属SWNT的纳米管轴与内壁161的表面垂直的取向布置在内壁161上。以该方式，该实施例的内壁161的功能是更好的。当然，内壁161可以由适于在光麦克风10中使用的任何其他材料组成。
可选地，外壳16包括布置在声传感器12附近的保护元件162，以保护声传感器免受污染。例如，保护元件162可以是定位在声传感器12上面或者紧挨着声传感器12的薄膜。当然，保护元件162可以适于用在光麦克风中的任何类型的保护器，其具有诸如矩形或者圆形之类的各种形状并且由适合的材料组成。保护元件162可以是灵活的和可调整的，以满足光麦克风10的不同需要。此外，保护元件162也可以用于防止来自光麦克风10的外部并且通过光麦克风发光的其他光束，这可能干扰外壳16内部的主光束。
在其上布置SWNT阵列的SWNT的声传感器12的上面提及的基衬底121可以可选地包括在外壳16的内壁161内或者与外壳16的内壁161分离。基衬底121可以是内壁161的一部分，并且可以在制造过程期间与内壁161一起制造。可替代地，基衬底121可以是通过任何类型的适合连接方法与内壁161连接或者固定在内壁161上的分离元件。
通过使用本发明的示例性光麦克风10，图3示出本发明的方法的优选实施例，其包括：通过光源11发射31光束，并且使用32包括平行对齐的单壁纳米管的声传感器12来反射发射的光束。上面提及的声传感器12响应于声压力波偏转。可选地，该方法还包括：使用33反射器15来重新反射来自声传感器12的光束，并且通过检测器13检测34来自反射器15的重新反射的光束。
当光麦克风10经受声压力波时，其声传感器12响应于波偏转并且相应地反射来自光源11的光束。通过可选地重新反射并且检测光束，本发明的光麦克风10可以精确地测量声压力波。因为声传感器主要包括纳米管，所以光麦克风10的尺寸相当小，以使得可以在特殊条件下使用声传感器。例如，需要具有很小尺寸的多个传感器的麦克风阵列。此外，利用反射器15对光束的重新反射，实现更高SNR的检测，并且由此改进声压力波的测量结果。
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[III]T.Saleh等,“Transformingcarbonnanotubeforestfromdarkestabsorbertoreflectivemirror”,应用物理学报101,061913(2012)。

Claims (15)

1.一种光麦克风，包括：
-光源(11)，配置为发射光束，以及
-声传感器(12)，包括单壁纳米管，其中声传感器(12)响应于压力波偏转，并且配置为反射从光源(11)发射的光束。
2.如权利要求1所述的光麦克风，还包括检测器(13)，配置为检测由声传感器(12)反射的光束。
3.如权利要求1所述的光麦克风，还包括反射器(15)，包括多壁纳米管并且配置为重新反射来自声传感器(12)的光束。
4.如权利要求3所述的光麦克风，还包括检测器(13)，配置为检测来自反射器(15)的光束。
5.如权利要求3所述的光麦克风，其中，反射器(15)是薄膜反射器，在薄膜反射器上随机布置多壁纳米管。
6.如前述权利要求中任一项所述的光麦克风，其中，来自光源(11)的光束照射在单壁纳米管的侧壁上。
7.如前述权利要求中任一项所述的光麦克风，其中，光源(11)是激光器。
8.如前述权利要求中任一项所述的光麦克风，还包括偏振器(14)，配置为偏振从光源(11)发射的光束。
9.如前述权利要求中任一项所述的光麦克风，其中，声传感器(12)包括平行对齐的单壁纳米管的阵列。
10.如前述权利要求中任一项所述的光麦克风，其中，声传感器(12)还包括基衬底(121)，单壁纳米管布置在基衬底(121)上，以使得单壁纳米管的纳米管轴与衬底表面垂直。
11.如前述权利要求中任一项所述的光麦克风，还包括外壳(16)，其中，包含光源(11)、声传感器(12)、和/或检测器(13)、和/或反射器(15)、和/或偏振器(14)。
12.如权利要求11所述的光麦克风，其中，外壳(16)包括由单壁纳米管组成的内壁(161)。
13.如权利要求11或12所述的光麦克风，其中，外壳(16)包括保护元件(162)，保护元件(162)布置在声传感器(12)附近，用于保护声传感器(12)免受污染。
14.一种用于检测声压力波的方法，包括：
-发射(31)光束，以及
-使用(32)包括单壁纳米管的声传感器(12)来反射发射的光束，其中，声传感器(12)响应于压力波偏转。
15.如权利要求14所述的方法，还包括：
-使用(33)反射器来重新反射来自声传感器的光束，以及
-检测(34)来自反射器的重新反射的光束。
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