JP2011205171A - Ultrasonic receiver - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、超音波の受波に対して特に高性能となる超音波受波器、とくに空気などの気体を伝搬する超音波を受波する場合に高性能となる気体用超音波受波器に関する。 The present invention relates to an ultrasonic wave receiver that has a particularly high performance with respect to the reception of ultrasonic waves, and in particular, a gas ultrasonic wave receiver that has a high performance when receiving an ultrasonic wave propagating through a gas such as air. About.
音波を受波する装置としては、従来からマイクロホンが知られている。ダイナミックマイクロホンやコンデンサマイクロホンに代表される多くのマイクロホンは、振動板を用いるものである。これらのマイクロホンでは、入力された音波が振動板を振動させ、その振動を電気信号として取り出すものである。しかし、振動板を用いるマイクロホンでは振動板が共振特性を持つので限られた周波数帯域でしか使用できないという課題がある。 Conventionally, a microphone is known as a device for receiving a sound wave. Many microphones represented by dynamic microphones and condenser microphones use a diaphragm. In these microphones, an input sound wave vibrates the diaphragm, and the vibration is taken out as an electric signal. However, a microphone using a diaphragm has a problem that it can be used only in a limited frequency band because the diaphragm has resonance characteristics.
振動板を用いないマイクロホンについて、特許文献1及び2の技術がある。特許文献1に記載の技術は、図23のように対向配置された反射部材間の音場を測定するために、反射部材で複数回反射させた光波を検出することで、広い領域内の音を測定するマイクロホンである。
For microphones that do not use a diaphragm, there are techniques of
図24に示すように、特許文献2に記載の技術は、ファブリ・ペロー干渉計を用いて、被検体表面に照射したレーザー光の周波数変化を検出することにより、被検体を伝搬する超音波を高感度で検出する。また、図25に示すように、特許文献3では、空気などの音響インピーダンスの極めて小さい媒質から、超音波を高い効率で伝搬媒質部内に取り込む、あるいは伝搬媒質部から空気へ高い効率で超音波を放射することができる固体媒質として、シリカ乾燥ゲルについて記載されている。以下、光波を用いて音波を検出するマイクロホンのことを「光マイクロホン」という。
As shown in FIG. 24, the technique described in
特許文献1の光マイクロホンは、反射部材が音波の入力する開口を兼ねる。反射部材の間隔は1m以上であり、反射鏡の大きさが0.6m×0.5m程度であり、これはとても大きな開口である。そのため、特許文献1の光マイクロホンは、航空機騒音のような広い領域の音を測定に用いるものであって、従来のような小さな開口の音響受波器として、そのまま用いることができない。
In the optical microphone of
ミラーの間隔を狭くして開口を小さくすることも考えられるが、光マイクロホンの感度は、光の伝搬距離Lと音の伝搬に起因する空気の屈折率の変化量Δnとの積ΔnLに大きく依存するため、ミラーの間隔を狭めると光の伝搬距離Lが短くなり十分な感度が得られず、音響受波器として動作させるのは難しい。そのため、特許文献1の光マイクロホンでは、従来のマイクロホンのように小さな開口で局所的な音圧を測定することができない。
Although it is conceivable to reduce the aperture by narrowing the mirror interval, the sensitivity of the optical microphone largely depends on the product ΔnL of the light propagation distance L and the change Δn in the refractive index of air caused by the sound propagation. Therefore, if the interval between the mirrors is narrowed, the light propagation distance L is shortened and sufficient sensitivity cannot be obtained, and it is difficult to operate as an acoustic receiver. For this reason, the optical microphone disclosed in
特許文献2では、図24に示すように、ファブリ・ペロー干渉計を用いて、被検体表面に照射したレーザー光の周波数変化を検出することにより、被検体を伝搬する超音波を高い感度で検出する。しかし、これは固体中の音波を検出するものであって、空気中の音波を検出するものではない。これを応用して、空気中の超音波を固体中に取り込み超音波を検出することも考えられるが、通常の固体は空気との音響インピーダンスが大きく異なっており、空気/固体界面での反射が大きいため、効率的に内部へ取り込むことができない。
In
そこで、本発明は、上記課題を解決し、振動板を用いることなく、空気中の音波を検出する小型の超音波受波器を提供することを目的とする。 Accordingly, an object of the present invention is to solve the above-described problems and to provide a small-sized ultrasonic receiver that detects sound waves in the air without using a diaphragm.
本願発明の超音波受波器は、環境流体で満たされた周囲の空間を伝搬する超音波を受波する超音波受波器であって、前記超音波が入射する開口を有し、前記開口に入射した超音波が伝搬する導波路と、前記導波路における前記超音波の伝搬方向と平行な面と接し、前記導波路を伝搬する超音波の一部が入射する伝搬媒質部と、前記超音波の伝搬方向と異なる方向から、前記伝搬媒質部を横切る光波を出射する光源と、前記伝搬媒質部を横切る光波の伝搬方向における前記伝搬媒質部の両端に配置され、前記光波の一部を透過し、残りの一部の光波を反射する部分反射部材と、前記部分反射部材及び前記伝搬媒質部を透過した光波を電気信号に変換する光電変換部とを備え、前記伝搬媒質部と、前記光源と、前記部分反射部材と、前記光源とが、ファブリ・ペロー干渉計を構成し、前記伝搬媒質部の密度ρ1、前記伝搬媒質部における音速C1、前記環境流体の密度ρ2、及び環境流体における音速C2が、(ρ2/ρ1)<(C1/C2)<1の関係を満たす。 The ultrasonic wave receiver of the present invention is an ultrasonic wave receiver that receives an ultrasonic wave propagating through a surrounding space filled with an environmental fluid, and has an opening through which the ultrasonic wave is incident. A waveguide through which the ultrasonic wave incident on the waveguide propagates, a propagation medium part in contact with a plane parallel to the propagation direction of the ultrasonic wave in the waveguide, and a part of the ultrasonic wave propagating through the waveguide is incident on the waveguide, A light source that emits a light wave that crosses the propagation medium part from a direction different from the propagation direction of the sound wave, and a light source that is disposed at both ends of the propagation medium part in the propagation direction of the light wave that crosses the propagation medium part, and transmits a part of the light wave. A partial reflection member that reflects the remaining part of the light wave, and a photoelectric conversion unit that converts the light wave that has passed through the partial reflection member and the propagation medium part into an electrical signal, the propagation medium part, and the light source And the partial reflection member and the light source Constitute a Fabry-Perot interferometer, the density [rho 1 of the propagation medium portion, sound velocity C 1 in the propagation medium portion, the density [rho 2 of the environmental fluid, and the sound velocity C 2 in the environmental fluid, (ρ 2 / ρ 1 ) <(C 1 / C 2 ) <1.
本発明によれば、ファブリ・ペロー干渉計内に伝搬媒質部を配置してその出力光を検出することで、環境流体から伝搬媒質部に透過した超音波を検出する。これにより、振動板を用いることなく、小さな開口で、かつ小型の超音波受波器を提供できる。 According to the present invention, the ultrasonic wave transmitted from the environmental fluid to the propagation medium part is detected by arranging the propagation medium part in the Fabry-Perot interferometer and detecting the output light. Thereby, a small ultrasonic receiver with a small opening can be provided without using a diaphragm.
以下、図面を参照しながら、本発明による超音波受波器の実施形態を説明する。 Hereinafter, embodiments of an ultrasonic receiver according to the present invention will be described with reference to the drawings.
(実施の形態1)
図1に、本実施の形態における超音波受波器の構成を示す。超音波受波器は、超音波受波器の周囲の空間(外部の空間)を満たす環境流体から伝搬する超音波14が入射する開口1を有し、開口1から入射した超音波14が伝搬する導波路10と、導波路10を伝搬する超音波14の一部が伝搬する伝搬媒質部2と、導波路10と伝搬媒質部2とを保持する保持部7と、伝搬媒質部2を間に挟んで対向するように配置された2つの部分反射部材3a、3bと、部分反射部材3aに向かって、光波8を出射する光源4と、部分反射部材3bを透過してきた光波8を電気信号に変換する光電変換部5と、光電変換部5に電気的に接続され、光電変換部5の出力信号を検出する電気信号検出部6とを備える。図1において、光波8の伝搬方向をY軸、超音波14の伝搬方向をZ軸、光波8の伝搬方向及び超音波14の伝搬方向に直行する方向をX軸とする。ここで、「環境流体」とは、光マイクロホの外部に存在する流体を示す。環境流体は、例えば、空気などである。
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows the configuration of the ultrasonic receiver in the present embodiment. The ultrasonic receiver has an
2つの部分反射部材3a、3bと、光源4と、電気信号検出部6とは、ファブリ・ペロー干渉計を構成する。図2に、光源4の方向(Y軸の正方向)から、本実施の形態における光マイクロホンを見た図を示す。図2に示すように、導波路10の超音波の伝搬方向と平行な面の一部が、伝搬媒質部2と接している。また、導波路10の超音波の伝搬方向と平行な面の一部が、伝搬媒質部2によって構成されていてもよい。導波路10を伝搬する超音波の一部は、屈折伝搬現象により伝搬媒質部2内へと伝搬する。
伝搬媒質部2の密度ρ1、伝搬媒質部2における音速C1、環境流体の密度ρ2、及び環境流体における音速C2が、(ρ2/ρ1)<(C1/C2)<1の関係を満たす。
The two
The density ρ 1 of the
特許文献3に記載されているように、(ρ2/ρ1)<(C1/C2)<1の関係を満たす場合には、高い効率で環境流体から伝搬媒質部2に超音波を透過させる事ができる。よって、導波路10を伝搬する超音波を伝搬媒質部2内に、効率的に取り込むことができる。
As described in Patent Document 3, when the relationship of (ρ 2 / ρ 1 ) <(C 1 / C 2 ) <1 is satisfied, ultrasonic waves are transmitted from the environmental fluid to the
(シリカ乾燥ゲル)
(ρ2/ρ1)<(C1/C2)<1の関係を満たす伝搬媒質部2は、シリカ乾燥ゲルが好ましい。また、疎水化されたシリカ乾燥ゲルを用いることで、空気中の水分による経時劣化を防ぐことができる。シリカ乾燥ゲルは物理的強度が弱いため、図1に示すように、伝搬媒質部2を保持部7で保持することが好ましい。
(Silica dry gel)
The
図3に、密度150kg/m3、音速90m/secで厚み5mmのシリカ乾燥ゲルを用いて透過特性を測定した結果を示す。図3から、シリカ乾燥ゲルの透過特性は、光の波長が短くなるほど減衰が大きくなっていることがわかる。したがって、光源4から出射される光波8の波長は、少なくとも400nm以上であることが好ましい。シリカ乾燥ゲルの密度が50kg/m3以下の場合、シリカ乾燥ゲルの作製時にゲルの乾燥工程で白濁し、光の透過率が著しく低下する。よって、シリカ乾燥ゲルの密度は50kg/m3以上とするのが好ましい。
FIG. 3 shows the results of measuring the transmission characteristics using a silica dry gel having a density of 150 kg / m 3 and a sound velocity of 90 m / sec and a thickness of 5 mm. From FIG. 3, it can be seen that the transmission characteristics of the silica dry gel are more attenuated as the wavelength of light is shorter. Therefore, the wavelength of the
(音響ホーン)
図4に示すように、音響ホーン9を開口1の前端に配置し、音響ホーンの集束端9bを開口1に接続すると、ホーンの開口端9aから入力された超音波14は音響ホーン9を開口端9aから集束端9bへと伝搬するにしたがって圧縮されてエネルギー密度が高くなり、開口1に高エネルギー密度の超音波を伝搬させることができる。
(Acoustic horn)
As shown in FIG. 4, when the
(光マイクロホンの動作)
本実施の形態の光マイクロホンの動作を説明する。本実施の形態の光マイクロホンは、環境流体から伝搬してきた超音波14を、伝搬媒質部2内に取り込んで、ファブリ・ペロー干渉計によって光信号として検出する。
(Operation of optical microphone)
The operation of the optical microphone of this embodiment will be described. The optical microphone of the present embodiment takes in the
伝搬媒質部2の内部に、超音波14が伝搬すると、伝搬媒質部2内に疎密波が生じる。伝搬媒質部2内に疎密波が生じると、粗密波が生じた部分において、屈折率が変化Δnnする。このとき、伝搬媒質部2内を伝搬する超音波の音圧Pと、屈折率変化量Δnnの間には、Δnn=P(nn−1)/(Cn 2ρn)の関係がある。ここで、ρnは伝搬媒質部2の密度、Cnは伝搬媒質部2の音速、nnは伝搬媒質部2の屈折率である。このように、超音波が伝搬媒質部2内を伝搬すると、超音波の音圧に応じて屈折率が変化する。
When the
超音波が伝搬するにより、変化するシリカ乾燥ゲル屈折率は、空気中又は水の屈折率の変化量よりも1桁以上大きい。例えば、密度150kg/m3、音速90m/secのシリカ乾燥ゲルを用いて、屈折率の変化量を測定したところ、音圧1Paに対する屈折率変化量は1.1×10-7であった。この屈折率変化量の値は、空気中の屈折率変化量(2.0×10-9)または水の屈折率変化量(1.5×10-10)と比較して非常に大きい。よって、シリカ乾燥ゲルが、音圧に対する屈折率変化量の大きい媒質であることがわかる。 The silica dry gel refractive index that changes due to the propagation of ultrasonic waves is one or more orders of magnitude greater than the amount of change in the refractive index of air or water. For example, when the amount of change in the refractive index was measured using a silica dry gel having a density of 150 kg / m 3 and a sound speed of 90 m / sec, the amount of change in the refractive index with respect to 1 Pa of sound pressure was 1.1 × 10 −7 . This value of the refractive index change is very large compared to the refractive index change in air (2.0 × 10 −9 ) or the refractive index change of water (1.5 × 10 −10 ). Therefore, it can be seen that the silica dry gel is a medium having a large amount of refractive index change with respect to the sound pressure.
超音波が伝搬媒質部2の内部を伝搬する際に、伝搬媒質部2の面内で屈折率が、超音波の波長オーダーで分布を持つ。図5及び6に、超音波14が伝搬している伝搬媒質部2を横切るように、光波8を伝搬する様子を示す。図5には、超音波14の伝搬方向と光波8の伝搬方向とが直交であるように示しているが、少なくとも超音波14の伝搬方向と光波8の伝搬方向とが平行でなければ良い。
When the ultrasonic wave propagates inside the
図5の伝搬媒質部の明度の差は、粗密波が伝搬していることを表す。光源4から入射する光波8のスポット径が大きければ、明度が高い場所(白い部分)と明度が低い場所(黒い部分)のいずれも含むように、光波8が伝搬する。つまり、光波8は、屈折率が正に変化する場所と、屈折率が負に変化する場所を同時に伝搬するため、伝搬媒質部2を透過した光波8から検出できる全体の屈折率変化量は相殺して小さくなってしまう。
The difference in the brightness of the propagation medium part in FIG. 5 indicates that the dense wave propagates. If the spot diameter of the
そのため、図6に示すように、光波8のスポット径は、伝搬媒質部2を伝搬する超音波の波長Λよりも小さくするほうが好ましい。これにより、屈折率が正に変化する場所と、屈折率が負に変化する場所のいずれかの部分を光波8は伝搬することができる。その結果、光波8のスポット径が大きい場合と比べて、伝搬媒質部2を透過した光波8から検出する屈折率変化の感度が向上する。
Therefore, as shown in FIG. 6, the spot diameter of the
また、図4に示すように音響ホーン9を設けた場合、環境流体から伝搬してきた超音波の伝搬方向を揃えることができるため、伝搬媒質部2を伝搬する超音波を、図6のz軸の方向に平面波として伝搬させることができる。そのため、光波8の伝搬方向であるy軸方向においては、屈折率の分布は無視することができる。
In addition, when the
次に、本実施の形態1の光マイクロホンに用いられるファブリ・ペロー干渉計について説明する。 Next, the Fabry-Perot interferometer used in the optical microphone of the first embodiment will be described.
本実施の形態1の光マイクロホンでは、伝搬媒質部2において、光波8が伝搬する方向の両端面に、2つの部分反射部材3a、3bが配置される。光源4から出射された光波8が、部分反射部材3a、伝搬媒質部2、及び部分反射部材3bを透過して、光電変換部5に伝搬するまでには、複数の経路がある。
In the optical microphone according to the first embodiment, in the
図7に示すように、光源4から出射された光波8の一部は、部分反射部材3aを透過して前記伝搬媒質部2内を伝搬する。そして、部分反射部材3aを透過した光の一部は、更にもう一方の部分反射部材3bを透過する。
As shown in FIG. 7, a part of the
部分反射部材3aを透過した光の一部は、部分反射部材3aと部分反射部材3bとの間で複数回反射を繰り返して、伝搬媒質部2内を伝搬して、光の一部は部分反射部材3bより透過する。本実施の形態1の光マイクロホンにおいては、部分反射部材3bの透過光が干渉するように2つの部分反射部材3aおよび3bが配置されることで、ファブリ・ペロー干渉計を構成している。
A part of the light transmitted through the
図8に、ファブリ・ペロー干渉計において、伝搬媒質部2の屈折率が変化により、出力光の強度がどのように変化するかを計算した結果を示す。図8において、縦軸は出力光強度であり、横軸は屈折率変化量である。図8は、図7に示す光マイクロホンにおいて、光波8の波長が633nm、部分反射部材3a、3bの反射率が共に50%、超音波が伝搬する前の伝搬媒質部2の屈折率が1.07、2つの部分反射部材3の間隔が5mmの場合の出力応答を計算した結果である。
FIG. 8 shows a calculation result of how the intensity of the output light changes due to the change in the refractive index of the
これより、屈折率変化に応じて光の強度が変化していることがわかる。なお、動作点は、屈折率変化に対して光の強度が線形に変化する点を選ぶのが好ましい。動作点の調整は、2つの部分反射部材3の間の距離を変化させたり、伝搬媒質部2の屈折率を変化させることで行える。
From this, it can be seen that the intensity of light changes according to the change in refractive index. The operating point is preferably selected so that the light intensity changes linearly with respect to the change in refractive index. The operating point can be adjusted by changing the distance between the two partial reflection members 3 or changing the refractive index of the
図9に、部分反射部材3aおよび3bの反射率が変わった場合に、出力応答がどのように変化するかを計算した結果を示す。図9において、縦軸は出力光強度であり、横軸は屈折率変化量である。
FIG. 9 shows the result of calculating how the output response changes when the reflectance of the
図9は、部分反射部材3aおよび3bの反射率がともに30%、50%、70%、90%と変化した場合の計算した結果である。これより、部分反射部材3aおよび3bの反射率が高くなればなるほど光強度の変化は鋭くなり、動作点を適切に選べば屈折率変化に対して大きな出力強度変化が得られ、高い感度が得られることがわかる。しかし、出力応答が鋭くなれば鋭くなるほど、動作点の設定がシビアになり、最適点から少しずれただけで十分な光強度の変化が得られなくなる。動作点調整の精度や感度を考慮すると、部分反射部材3a、3bの反射率は、10%以上70%以下程度とするのが好ましい。
FIG. 9 shows a calculation result when the reflectances of the
なお、図7に示すように、部分反射部材3a及び3bは伝搬媒質部2に接していても良いし、図10、図11及び図12のように、部分反射部材3a及び3bは伝搬媒質部2と離れていても良い。
In addition, as shown in FIG. 7, the
図11に示すように、2つの部分反射部材3の間には、伝搬媒質部2の他に保持部7の一部があっても良い。ただし、その場合は保持部7としてはアクリル材やガラスなどのような透明な材料を用いる必要がある。
As shown in FIG. 11, there may be a part of the holding
また、保持部7は必ずしも伝搬媒質部2の全面を保持する必要はなく、図7、図10、及び図12のように光波8の伝搬する部分周辺を保持しないようにすれば、光波8は保持部7を伝搬することなく伝搬媒質部2へ入射する。この場合は、保持部7として透明な材料を用いる必要はない。
Further, the holding
また、図7、図12、及び図13のように部分反射部材3を保持部7の一部とすることもできる。伝搬媒質部2の表面に成膜を行い、伝搬媒質部2の表面において部分反射が起こるようにすれば、成膜された面を部分反射部材3の代わりに用いることもできる。
Further, as shown in FIGS. 7, 12, and 13, the partial reflection member 3 can be a part of the holding
なお、ファブリ・ペロー干渉計において光電変換部5に入射する光波は、必ずしも部分反射部材3bを透過したものである必要はなく、図14に示すように、部分反射部材3aから光源4の方向へ伝搬する光波を入射することもできる。これは、部分反射部材3aから光源4の方向へ伝搬する光波も、部分反射部材3bを透過する光波と同様に、2つの部分反射部材3a、3bの間で複数回反射した光波の干渉光であるためである。これを行う際には、ビームスプリッター12を用いると、入射光と干渉光を分離することができ、光電変換部5の配置が容易になる。
Note that the light wave incident on the
図15に、屈折率変化と出力光の強度変化の様子を示す。図15は、部分反射部材3aおよび3bの反射率が共に50%の場合を計算した結果である。図15から部分反射部材3bの透過光を計測した場合と同様に屈折率変化に応じた光強度の変化が得られることがわかる。反射光を計測する場合には、部分反射部材3bの反射率を100%にすることも可能である。
FIG. 15 shows changes in refractive index and output light intensity. FIG. 15 shows the result of calculation when the reflectances of the partially reflecting
なお、ファブリ・ペロー干渉計を用いた超音波の検出については、特許文献2でも記載されているが、これは被検体からの反射光をファブリ・ペロー干渉計に入射するものである。超音波を伝搬する被検体で反射される際には、ドップラー効果により光の周波数が変化する。この光の周波数変化をファブリ・ペロー干渉計で検出する。
Note that detection of ultrasonic waves using a Fabry-Perot interferometer is also described in
本実施の形態による光マイクロホンでは、ファブリ・ペロー干渉計内の伝搬媒質部2に超音波が伝搬することで干渉計内部の屈折率が変化することにより、ファブリ・ペロー干渉計の出力が変化し、超音波を検出できる。このように、ファブリ・ペロー干渉計内部での超音波の伝搬に伴う屈折率変化を検出する光マイクロホンについてはこれまでに開示されていない。
In the optical microphone according to the present embodiment, the output of the Fabry-Perot interferometer changes as the refractive index inside the interferometer changes due to the propagation of ultrasonic waves to the
以上により、環境流体から伝搬してきた超音波を伝搬媒質部2内に取り込み、伝搬媒質部2内の超音波の伝搬がもたらす屈折率変化をファブリ・ペロー干渉計により検出することにより、超音波を光で検出することができる。
As described above, the ultrasonic wave propagating from the environmental fluid is taken into the
(実施の形態2)
本実施形態における光マイクロホンの構成について説明する。図16に本実施形態による光マイクロホンと実施の形態1による光マイクロホンとの差異を示す断面図を示す。本実施形態による光マイクロホンと実施の形態1による光マイクロホンとの差異は、開口1より接続する導波路10の形状と、その導波路10の1部を構成している伝搬媒質部2の形状である。
(Embodiment 2)
The configuration of the optical microphone in this embodiment will be described. FIG. 16 is a sectional view showing the difference between the optical microphone according to the present embodiment and the optical microphone according to the first embodiment. The difference between the optical microphone according to the present embodiment and the optical microphone according to the first embodiment is that the shape of the
図17に、本実施形態の光マイクロホンは、伝搬媒質部2及び導波路10の形状を示す。図17では、伝搬媒質部2の内部に、超音波を収束させる収束点Fを設定する。
FIG. 17 shows the shapes of the
伝搬媒質部2と導波路10とが接している側面上の任意の点を点Pkとしたとき、開口1から点Pkまでの距離Lakと点Pkから収束点Fまでの距離Lnkについて、Lak/Ca+Lnk/Cnが一定となる曲面に設計する。ここで、導波路10を伝搬する超音波の音速Ca及び伝搬媒質部2を伝搬する超音波の音速CnがCn<Caである。
When an arbitrary point on the side surface where the
開口1より入射して導波路10を伝搬する超音波の一部が、伝搬媒質部2と導波路10とが接している側面(P0、P1、・・・Pn・・・)において、伝搬媒質部2内に屈折伝搬しながら伝搬する。上式を満たすように、導波路10と伝搬媒質部2とが接する側面が設計されていると、伝搬媒質部2の側面上のどの点(P0、P1、・・・Pn・・・)から伝搬媒質部2内へ透過した超音波も集束点11に到達する時間が等しくなる。その結果、導波路10から伝搬媒質部2内へと伝搬する超音波を集束点11に集束することができ、集束点11では大きな音圧が得られる。
Part of the ultrasonic wave incident from the
なお、導波路10の幅は一定としても良いし、超音波が伝搬するに従って狭くなるように設計しても良い。また、導波路10の終端13は閉じていても良いし、開放してもよい。
Note that the width of the
収束点Fには、超音波を検出する検出部を配置する。例えば、収束点Fに、光電変換部5等を配置することにより、
伝搬媒質部2内へ取り込んだ超音波を実施の形態1と同様にファブリ・ペロー干渉計を用いて検出する。その際、光波8を入射する位置を集束点11にすれば、感度よく超音波を検出することができる。
At the convergence point F, a detection unit that detects ultrasonic waves is arranged. For example, by arranging the
Ultrasonic waves taken into the
(実施の形態3)
本実施形態における光マイクロホンの構成について説明する。図18に、本実施形態による光マイクロホンの斜視図を示す。本実施形態による光マイクロホンは、開口1より入力された超音波を伝搬媒質部2内に取り込む。この際、導波路10を用いずに開口1に直接伝搬媒質部2を接続する。本実施形態は、屈折伝搬現象を使わない構成である。
(Embodiment 3)
The configuration of the optical microphone in this embodiment will be described. FIG. 18 is a perspective view of the optical microphone according to the present embodiment. The optical microphone according to the present embodiment takes ultrasonic waves input from the
伝搬媒質部2の密度ρ1、伝搬媒質部2における音速C1、環境流体の密度ρ2、及び環境流体における音速C2が、(ρ2/ρ1)<(C1/C2)<1の関係を満たす材料であれば音響インピーダンスが小さく、環境流体である空気の音響インピーダンスとの差異も通常の固体に比較して格段に小さいので、空気中の超音波を効率よく伝搬媒質部2中に取り込むことができる。
The density ρ 1 of the
以上のようにして伝搬媒質部2内へ取り込んだ超音波を実施の形態1と同様にファブリ・ペロー干渉計を用いて検出する。
(実施例1)
本発明の第1の実施形態による光マイクロホンの実施の一例を以下に示す。試作した光マイクロホンの断面図を図19および図20に示す。
The ultrasonic waves taken into the
Example 1
An example of implementation of the optical microphone according to the first embodiment of the present invention will be described below. 19 and 20 are cross-sectional views of the prototype optical microphone.
ホーン9はアルミ二ウム板を機械加工することにより作製した。ホーンの長さはLhorn=100mm、ホーンの開口の大きさは、幅Hin1=40mm、高さHin2=50mmとし、ホーンの集束部の開口の大きさは幅Hout1=4mm、高さHout2=5mmとした。
The
保持部7は、アクリル板を機械加工することにより作製した。保持部7の大きさは、外形の大きさをそれぞれ、縦La1=30mm、横La2=35mmとし、厚みLa3=15mmとした。また、伝搬媒質部2の上面、下面および側面を保持する保持部7の厚みt1、t2およびt3はいずれも5mmとした。導波路10の幅は、Lw=4mmとした。
The holding
部分反射部材3a、3bは両方とも同じものを用い、大きさは縦Lm1および横Lm2をともに15mmとし、厚みLm3は3mmとした。また、部分反射部材3aおよび3bを配置する際には、予め部分反射部材3aおよび3bの大きさに合わせて支持部7に作製した貫通穴に部分反射部材3aおよび3bを挿入して固定した。
Both the
また、伝搬媒質部2の大きさは、縦Ln1および横Ln2を共に20mmとし、厚みLn3は5mmとした。以上より、開口1の大きさは幅4mm、高さ5mmとなり、これをホーン9の集束端9bと接続した。
Further, the
伝搬媒質部2の材料としては、密度150kg/m3、音速90m/secのシリカ乾燥ゲルを用いた。シリカ乾燥ゲルは例えば以下の方法で作製できる。
As a material of the
まず、テトラエトキシシラン(以下、TEOSと略す。)、エタノール及びアンモニア水を混合した溶液を作製し、これをゲル化させることによって湿潤ゲルを作製する。湿潤ゲルとは、乾燥ゲルの空孔部分に液体が満たされた状態のものを言う。この湿潤ゲルの液体部分を液化炭酸ガスで置換し、炭酸ガスを用いた超臨界乾燥法によって除去することによってシリカ乾燥ゲルが得られる。シリカ乾燥ゲルの密度は、TEOS、エタノール及びアンモニア水の混合比を変えることにより調整でき、音速は密度に応じて変化する。 First, a solution in which tetraethoxysilane (hereinafter abbreviated as TEOS), ethanol and aqueous ammonia is mixed, and this is gelled to prepare a wet gel. A wet gel refers to a dry gel in which the pores are filled with a liquid. A silica dry gel is obtained by replacing the liquid portion of the wet gel with liquefied carbon dioxide and removing it by supercritical drying using carbon dioxide. The density of the silica dry gel can be adjusted by changing the mixing ratio of TEOS, ethanol and ammonia water, and the speed of sound changes according to the density.
シリカ乾燥ゲルは、酸化ケイ素の微細な多孔質構造からなる材料であり、骨格部分は疎水化されている。空孔及び骨格部分の大きさは数nm程度である。このような構造体の空孔部分に液体が含まれた状態から直接溶媒を乾燥させると、溶媒が揮発する際に毛管現象による大きな力が働き、骨格部分の構造が壊れやすい。この破損を防止するために表面張力の働かない超臨界乾燥法を用いることにより、シリカ骨格部分を壊さずに乾燥ゲル体を得ることができる。 Silica dry gel is a material having a fine porous structure of silicon oxide, and the skeleton is hydrophobized. The size of the vacancies and the skeleton is about several nm. When the solvent is directly dried from the state in which the liquid is contained in the pore portion of such a structure, a large force due to capillary action acts when the solvent volatilizes, and the structure of the skeleton portion is easily broken. By using a supercritical drying method in which the surface tension does not work to prevent this breakage, a dry gel body can be obtained without breaking the silica skeleton.
光源4としては、波長633nmのHe−Neレーザー光源を用いた。スポット径は0.6mm程度である。伝搬媒質部2の音速が90m/secで、検出する超音波が40kHzの場合、伝搬媒質部2中の超音波の波長Λは2.25mmであるので、これより十分小さい。
As the
部分反射部材3aおよび3bとしては、波長633nmにおいて56%の反射率を持つ誘電体多層膜による部分反射ミラーを用い、反射面が伝搬媒質部2の方を向くように配置した。なお、部分反射ミラーの反射面でない面には無反射コートを施した。
As the
光電変換部5としては、633nmの波長において受光感度の良いSiフォトダイオードを用いた。
As the
また、光源4、伝搬媒質部2、部分反射部材3aおよび3b、支持部7、および光電変換部5を配置してファブリ・ペロー干渉計を構成し、光電変換部5の出力を電気信号検出部6に入力した。なお、本実施例では、電気信号検出部6としてオシロスコープを用いた。
The Fabry-Perot interferometer is configured by arranging the
続いて、ツイータより空気中に超音波を出力し、試作した光マイクロホンでの受波実験を行った。 Subsequently, ultrasonic waves were output to the air from the tweeter, and a receiving experiment was performed with the prototype optical microphone.
ツイータからは、40kHzの正弦波信号1波を、音圧の振幅13.8Paの超音波信号を出力する。オシロスコープでは、ハイパスフィルターを用いて信号のDC成分を除去した後に観測した。測定結果を図21に測定結果を示す。これより、超音波の検出が確認できる。 From the tweeter, one sine wave signal of 40 kHz is output as an ultrasonic signal having a sound pressure amplitude of 13.8 Pa. The oscilloscope was observed after removing the DC component of the signal using a high-pass filter. The measurement results are shown in FIG. Thereby, the detection of ultrasonic waves can be confirmed.
また、音圧を変えながら同様の信号を入力し、出力信号の変化を観測した。結果を図22に示す。これより、音圧に比例して出力が変化することが確認できる。以上により、本発明による光マイクロホンの動作が確認できた。 Moreover, the same signal was input while changing the sound pressure, and the change of the output signal was observed. The results are shown in FIG. From this, it can be confirmed that the output changes in proportion to the sound pressure. As described above, the operation of the optical microphone according to the present invention was confirmed.
振動板を用いずに、伝搬媒質部2内に取り込んだ超音波をファブリ・ペロー干渉計により検出するため、振動板の共振に起因する周波数の制限を受けない。そのため、広帯域な超音波受波器を提供できる。
Since the ultrasonic wave taken into the
また、本発明による光マイクロホンは、開口1をミリメートルのオーダーで作製することができ、小さい開口の超音波受波器を提供できる。
In addition, the optical microphone according to the present invention can produce the
また、特許文献1のようにレーザードップラー振動計を用いる場合には、レーザードップラー振動系内に、音響光学変調素子や演算部などを組み込む必要があるため装置が大型になるが、本発明による光マイクロホンは、また、本発明による光マイクロホンは、部分反射部材3aおよび3b、伝搬媒質部2、光源4、保持部7、光電変換部5、電気信号検出部6から構成できるので小型に提供することができる。
In addition, when a laser Doppler vibrometer is used as in
本発明の光マイクロホンによれば、振動板を用いずに超音波を検出することで、広い周波数帯域における超音波の受波が可能となるものである。 According to the optical microphone of the present invention, ultrasonic waves can be received in a wide frequency band by detecting ultrasonic waves without using a diaphragm.
1 開口
2 伝搬媒質部
3a、3b 部分反射部材
4 光源
5 光電変換部
6 電気信号検出部
7 保持部
8 光波
9 ホーン
9a ホーンの開口端
9b ホーンの集束端
10 導波路
11 集束点
12 ビームスプリッター
13 終端
14 超音波
DESCRIPTION OF
Claims (18)
前記超音波が入射する開口を有し、前記開口に入射した超音波が伝搬する導波路と、
前記導波路における前記超音波の伝搬方向と平行な面と接し、前記導波路を伝搬する超音波の一部が入射する伝搬媒質部と、
前記超音波の伝搬方向と異なる方向から、前記伝搬媒質部を横切る光波を出射する光源と、
前記伝搬媒質部を横切る光波の伝搬方向における前記伝搬媒質部の両端に配置され、前記光波の一部を透過し、残りの一部の光波を反射する部分反射部材と、
前記部分反射部材及び前記伝搬媒質部を透過した光波を電気信号に変換する光電変換部とを備え、
前記伝搬媒質部と、前記光源と、前記部分反射部材と、前記光源とが、ファブリ・ペロー干渉計を構成し、
前記伝搬媒質部の密度ρ1、前記伝搬媒質部における音速C1、前記環境流体の密度ρ2、及び環境流体における音速C2が、(ρ2/ρ1)<(C1/C2)<1の関係を満たす
超音波受波器。 An ultrasonic receiver for receiving an ultrasonic wave propagating through a surrounding space filled with an environmental fluid,
A waveguide through which the ultrasonic wave is incident, and a waveguide through which the ultrasonic wave incident on the opening propagates;
A propagation medium part in contact with a plane parallel to the propagation direction of the ultrasonic wave in the waveguide, and a part of the ultrasonic wave propagating through the waveguide is incident;
A light source that emits a light wave that crosses the propagation medium part from a direction different from the propagation direction of the ultrasonic wave;
A partially reflecting member that is disposed at both ends of the propagation medium portion in the propagation direction of the light wave across the propagation medium portion, transmits a part of the light wave, and reflects the remaining part of the light wave;
A photoelectric conversion unit that converts the light wave transmitted through the partial reflection member and the propagation medium unit into an electric signal;
The propagation medium portion, the light source, the partially reflecting member, and the light source constitute a Fabry-Perot interferometer,
The density ρ 1 of the propagation medium part, the sound velocity C 1 in the propagation medium part, the density ρ 2 of the environmental fluid, and the sound speed C 2 in the environmental fluid are (ρ 2 / ρ 1 ) <(C 1 / C 2 ). <Ultrasonic wave receiver satisfying the relationship of 1.
点Pの位置にかかわらず、La/Ca+Ln/Cnが一定となるように、前記導波路と前記伝搬媒質部とが接する面が形成されている超音波受波器。 The length of the waveguide and the propagation medium portion are in contact with the waveguide to arbitrary point P which is set at a position along said propagation direction of the ultrasonic wave on the surface and L a, the propagation medium from the waveguide When the length from a predetermined convergence point where the ultrasonic wave incident on the part converges to the point P is L n ,
An ultrasonic receiver in which a surface where the waveguide and the propagation medium portion are in contact with each other is formed so that L a / C a + L n / C n is constant regardless of the position of the point P.
前記光源から出射される光波が、保持部を伝搬しない請求項1から14のいずれか1つに記載の超音波受波器。 Furthermore, a holding unit that holds the waveguide and the propagation medium unit is provided,
The ultrasonic receiver according to claim 1, wherein the light wave emitted from the light source does not propagate through the holding unit.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2010067588A JP2011205171A (en) | 2010-03-24 | 2010-03-24 | Ultrasonic receiver |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5108993B2 (en) * | 2011-04-05 | 2012-12-26 | パナソニック株式会社 | Optical microphone |
-
2010
- 2010-03-24 JP JP2010067588A patent/JP2011205171A/en active Pending
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