JP2011211311A - Optical ultrasonic microphone - Google Patents

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Ushio Sagawa
潮 寒川
Masahiko Hashimoto
雅彦 橋本
Hidetomo Nagahara
英知 永原
Yuriko Kaneko
由利子 金子
Takuya Iwamoto
卓也 岩本
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical ultrasonic microphone that can measure sound pressure over a wide band up to an ultrasonic region, and has a small size, high sensitivity, and resistance to a change in environment.SOLUTION: The optical ultrasonic microphone includes an acoustic waveguide 60 for receiving sound waves from an opening 71 for propagation, a photoacoustic propagation medium 52 forming at least one portion of a wall surface of the acoustic waveguide 60 and having a sound collecting action, and a laser Doppler vibration meter head 8. The sound waves advancing in the acoustic waveguide 60 are received in the photoacoustic propagation medium 52 for collecting sound in an acoustic focus 57 to generate a change in a refractive index with high efficiency, and the LDV head 8 measures it as an optical modulation signal. When achieving further resistance to environment and a measurement dynamic range, the LDV is replaced with a Mach-Zehnder interferometer and an optical heterodyne interference method.

Description

本発明は、光を利用したマイクロフォンに関する。空気などの気体を伝搬する超音波を受波し、光を用いて受波した超音波を電気信号に変換する光学式超音波マイクロフォンに関する。   The present invention relates to a microphone using light. The present invention relates to an optical ultrasonic microphone that receives an ultrasonic wave propagating in a gas such as air and converts the ultrasonic wave received using light into an electric signal.

音波を収集して電気信号に変換するデバイスとしては、可聴帯域ではダイナミックマイ
クロフォン又はコンデンサマイクロフォンが広く利用されている。また、超音波領域では圧電センサが広く利用されている。これらのデバイスは、音波のエネルギーの主要な成分が空気の粗密波として伝搬することを利用し、音波を振動板に入射させることによって振動板に励起される微細な振動を導電的、静電的、または圧電的に電気信号に変換している。
As devices for collecting sound waves and converting them into electric signals, dynamic microphones or condenser microphones are widely used in the audible band. In the ultrasonic region, piezoelectric sensors are widely used. These devices make use of the fact that the main component of the energy of sound waves propagates as a dense wave of air, and the minute vibrations excited on the diaphragm by making the sound waves incident on the diaphragm are conductive and electrostatic. Or, it is converted into an electrical signal piezoelectrically.

また、レーザ光に代表される単色光を利用して、微細で高速な振動を計測するレーザドプラー振動計(以下、LDVと言う)などの光学システムが広く利用されており、このような装置を利用した音波の収集が試みられている。   In addition, optical systems such as a laser Doppler vibrometer (hereinafter referred to as LDV) that measures fine and high-speed vibration using monochromatic light typified by laser light are widely used. Attempts have been made to collect sound waves.

特許文献1には、通常のマイクロフォンにみられる振動板と光三角法による光計測を応用した光マイクロフォンが開示されている。   Patent Document 1 discloses an optical microphone that uses a diaphragm found in a normal microphone and optical measurement using an optical trigonometry.

特許文献2には、音場中にレーザ光を直接伝搬させて、音波によって空気中に生じる屈折率変化をLDVにより直接捉えることにより、音圧を計測するレーザドプラーマイクロフォンが開示されている。   Patent Document 2 discloses a laser Doppler microphone that measures sound pressure by directly propagating a laser beam in a sound field and directly capturing a refractive index change generated in the air by a sound wave with an LDV.

図20を参照して、特許文献2におけるレーザドプラーマイクロフォンを説明する。図20に示すレーザドプラーマイクロフォンは、LDV121と、一対の反射鏡122及び123と、キュービックミラー124と、音場126と、演算部127とを備える。反射鏡122及び反射鏡123は、音場126を挟んで平行に配置されている。LDV121及びキュービックミラー124は、反射鏡123における反射鏡122と対向する免と直交する面の両端に設けられている。   With reference to FIG. 20, a laser Doppler microphone in Patent Document 2 will be described. The laser Doppler microphone shown in FIG. 20 includes an LDV 121, a pair of reflecting mirrors 122 and 123, a cubic mirror 124, a sound field 126, and a calculation unit 127. The reflecting mirror 122 and the reflecting mirror 123 are arranged in parallel with the sound field 126 interposed therebetween. The LDV 121 and the cubic mirror 124 are provided at both ends of a surface of the reflecting mirror 123 that is orthogonal to the relief facing the reflecting mirror 122.

LDV121は、反射鏡122に向かって、90度以外の角度でレーザ光が発射する。発射されたレーザ光は、反射鏡122及び反射鏡123において、複数回の反射を繰り返して、レーザ光路125に沿って伝搬し、反射鏡123の終端に設けられたキュービックミラー124に達する。LDV121に達したレーザ光は、LDV121と演算部127によって、戻ってきたレーザ光の振動数変化と各振動数変化量に対する振幅と位相が計測される。   The LDV 121 emits laser light at an angle other than 90 degrees toward the reflecting mirror 122. The emitted laser light is reflected by the reflecting mirror 122 and the reflecting mirror 123 a plurality of times, propagates along the laser light path 125, and reaches the cubic mirror 124 provided at the end of the reflecting mirror 123. The laser beam that has reached the LDV 121 is measured by the LDV 121 and the calculation unit 127 for the frequency change of the returned laser beam and the amplitude and phase for each frequency change amount.

図20において、音場126に音波が存在しない場合、レーザ光がドプラー変調を受けないため、レーザ光の振動数の変化量は0である。しかし、音場126に音波が存在する場合、音場126の空気密度に時間的ゆらぎが生じる。この時間的ゆらぎは、空気屈折率の時間変動を誘起する。これはレーザ光線波長に換算した経路長であるレーザ光路125の光学長の時間的伸縮に同値であり、光学的にはあたかもキュービックミラー124がレーザ光の進行方向に対して、時間的ゆらぎ(時間的伸縮)に等しい運動を行っている状況と考えられる。   In FIG. 20, when there is no sound wave in the sound field 126, the laser beam is not subjected to Doppler modulation, and therefore the amount of change in the frequency of the laser beam is zero. However, when sound waves are present in the sound field 126, temporal fluctuations occur in the air density of the sound field 126. This temporal fluctuation induces a time variation of the air refractive index. This is equivalent to the temporal expansion and contraction of the optical length of the laser beam path 125, which is the path length converted into the wavelength of the laser beam. Optically, it is as if the cubic mirror 124 has a temporal fluctuation (time) with respect to the traveling direction of the laser beam. This is considered to be a situation where exercise equal to (elongation and contraction) is performed.

従って、レーザ光はドプラー変調されるため、ドプラー周波数と各ドプラー周波数における振幅と位相を計測する。それらを実時間信号にフーリエ変換することにより、音場126における空気屈折率の時間変動量が再現される。それを積分処理することにより任意時刻の空気屈折率が算出される。その結果、音場126における音波(レーザ光路125上の音圧の平均値)が測定される。   Therefore, since the laser light is Doppler modulated, the Doppler frequency and the amplitude and phase at each Doppler frequency are measured. The time variation of the air refractive index in the sound field 126 is reproduced by Fourier transforming them into a real time signal. The air refractive index at an arbitrary time is calculated by integrating it. As a result, the sound wave in the sound field 126 (the average value of the sound pressure on the laser light path 125) is measured.

本願発明者らは、特許文献3において、気体中において超音波の屈折を利用して高感度、広帯域に超音波を送受波しうる気体用超音波送受波器に関する発明を開示している。非特許文献1において、500kHzの超高周波領域における送受信特性が報告されている。   Inventors of the present application disclose an invention relating to an ultrasonic transducer for a gas capable of transmitting and receiving ultrasonic waves in a gas with high sensitivity and broadband using the refraction of ultrasonic waves in gas. Non-Patent Document 1 reports transmission / reception characteristics in an ultrahigh frequency region of 500 kHz.

図21に、特許文献3及び特許文献4に開示されている発明の超音波送受波器を示す。
図21に示すように、特許文献3の発明の超音波送受波器101は、少なくとも、超音波振動子102と、超音波振動子102の前面に設けられ、環境流体104と超音波振動子102の間を埋める伝搬媒質部103とを有している。ここで、「環境流体」とは、超音波受波器101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。
また、超音波振動子102と伝搬媒質部103の界面を第1表面領域111と定義し、伝搬媒質部103と環境流体104の界面を第2表面領域112として定義する。
FIG. 21 shows an ultrasonic transducer according to the invention disclosed in Patent Document 3 and Patent Document 4.
As shown in FIG. 21, the ultrasonic transducer 101 of the invention of Patent Document 3 is provided at least on the ultrasonic transducer 102 and the front surface of the ultrasonic transducer 102, and includes the environmental fluid 104 and the ultrasonic transducer 102. And a propagation medium portion 103 that fills the gap. Here, “environmental fluid” refers to a fluid existing outside the ultrasonic wave receiver 101. The environmental fluid is, for example, air.
Further, the interface between the ultrasonic transducer 102 and the propagation medium part 103 is defined as a first surface area 111, and the interface between the propagation medium part 103 and the environmental fluid 104 is defined as a second surface area 112.

超音波受波器101は、その周囲が環境流体104で囲まれている。環境流体104から超音波受波器101に向かって、超音波伝搬経路105を伝搬する超音波を、超音波受波器101を受波する。   The ultrasonic receiver 101 is surrounded by an environmental fluid 104. The ultrasonic wave receiver 101 receives the ultrasonic wave propagating in the ultrasonic wave propagation path 105 from the environmental fluid 104 toward the ultrasonic wave receiver 101.

特許文献3の超音波送受波器101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の伝搬媒質部内に取り込むことで高感度に超音波を送受波することを可能としたものである。   The ultrasonic transducer 101 of Patent Document 3 transmits and receives ultrasonic waves with high sensitivity by taking ultrasonic waves into a propagation medium portion of a propagation medium with high efficiency from a medium with extremely low acoustic impedance such as air. It is possible.

通常、気体及び固体の界面ように、音響インピーダンスの大きく異なる媒質の界面では、殆どの超音波が反射されるため、高効率に送波すること及び高感度に受波することが困難である。   Usually, most ultrasonic waves are reflected at the interface of a medium having greatly different acoustic impedances, such as an interface between a gas and a solid, so that it is difficult to transmit with high efficiency and receive with high sensitivity.

このように気体中を伝搬する超音波を高効率に送波すること及び高感度に受波するために、超音波送受波器101は、その内部を伝搬する音速が環境流体104より遅く、密度が環境流体104より大きいシリカ骨格からなる乾燥ゲル材料(以下、「シリカ乾燥ゲル」と言う)を用いている。シリカ乾燥ゲルは、製造プロセスによって様々な音速と密度を持たせることが可能な材料である。例えば、密度200kg/m3、音速150m/sのように、高効率で超音波を透過しうる伝搬媒質部103の条件を満足する。 In order to transmit the ultrasonic wave propagating in the gas with high efficiency and receive the wave with high sensitivity, the ultrasonic wave transmitter / receiver 101 has a sound velocity propagating through the inside thereof lower than that of the environmental fluid 104, and has a density. Is a dry gel material composed of a silica skeleton larger than the environmental fluid 104 (hereinafter referred to as “silica dry gel”). Silica dry gel is a material that can have various sound speeds and densities depending on the manufacturing process. For example, the conditions of the propagation medium part 103 that can transmit ultrasonic waves with high efficiency such as a density of 200 kg / m 3 and a sound speed of 150 m / s are satisfied.

伝搬媒質部103をシリカ乾燥ゲルで構成し、かつ、図21に示すように伝搬媒質部103の内部における第2表面領域112の法線と超音波伝搬方向のなす角度θ1と、環境流体104内における超音波伝搬方向とのなす角度θ2を適切にそれぞれ選択する事によって、第2表面領域112における超音波の反射をほぼ0にして、超音波送受波器の送受波感度を向上させることができる。また、第2表面領域112における透過効率には、伝搬する超音波の周波数が無関係であるため、原理的に広帯域特性を実現し、様々な周波数を高い効率で測定することができる。   The propagation medium part 103 is made of silica dry gel, and as shown in FIG. 21, the angle θ1 formed between the normal line of the second surface region 112 and the ultrasonic wave propagation direction inside the propagation medium part 103, and the environment fluid 104 By appropriately selecting the angle θ2 formed with the ultrasonic wave propagation direction in the case, the reflection of ultrasonic waves in the second surface region 112 can be made substantially zero, and the transmission / reception sensitivity of the ultrasonic transducer can be improved. . Also, since the transmission efficiency in the second surface region 112 is independent of the frequency of the propagating ultrasonic wave, it is possible in principle to realize wideband characteristics and measure various frequencies with high efficiency.

具体的には、超音波振動子102に不図示の駆動回路から電気信号を与えることによって超音波を発生する。ここで、図21に示すように、XYZ方向を設定する。超音波振動子102で発生した超音波は、第1表面領域111から第2表面領域112に向かって、伝搬媒質部103をY軸の正方向に伝搬していく。そして、第2表面領域112に達した超音波は、屈折の法則に従って伝搬方向を変えて、超音波伝搬経路105の方向(この場合には、矢印の反対方向)に向けて流体104へ伝搬していく。   Specifically, an ultrasonic wave is generated by giving an electric signal to the ultrasonic transducer 102 from a drive circuit (not shown). Here, the XYZ directions are set as shown in FIG. The ultrasonic wave generated by the ultrasonic transducer 102 propagates in the positive direction of the Y axis from the first surface region 111 toward the second surface region 112 in the positive direction of the Y axis. Then, the ultrasonic wave reaching the second surface region 112 changes the propagation direction according to the law of refraction, and propagates toward the fluid 104 in the direction of the ultrasonic propagation path 105 (in this case, the direction opposite to the arrow). To go.

超音波を受波する場合には、送波の場合と逆に、周囲空間の流体104を伝搬してきた超音波は第2表面領域112に到達すると屈折して伝搬媒質部103に透過し、Y軸の負方向に向かって伝搬媒質部103の内部を伝搬して超音波振動子102に到達する。超音波振動子102に到達した超音波は超音波振動子102を変形させることで電極間に電位差を発生させるため、不図示の受波回路により検出される。   In the case of receiving the ultrasonic wave, contrary to the case of the wave transmission, the ultrasonic wave propagating through the fluid 104 in the surrounding space is refracted when it reaches the second surface region 112 and is transmitted to the propagation medium part 103. It propagates in the propagation medium portion 103 toward the negative direction of the axis and reaches the ultrasonic transducer 102. The ultrasonic wave that has reached the ultrasonic transducer 102 is detected by a wave receiving circuit (not shown) because the ultrasonic transducer 102 is deformed to generate a potential difference between the electrodes.

超音波送受波器101では、環境流体104が空気等の音響インピーダンス(材質の音速×材質の密度)の極めて小さい媒質の場合でも、環境流体104から伝搬媒質部103に超音波が高い効率で入射し、あるいは伝搬媒質部103から環境流体104へ高い効率で超音波を出射することができる。   In the ultrasonic transducer 101, even when the environmental fluid 104 is a medium having a very small acoustic impedance (sound speed of material × material density) such as air, ultrasonic waves are incident on the propagation medium unit 103 with high efficiency from the environmental fluid 104. Alternatively, ultrasonic waves can be emitted from the propagation medium unit 103 to the environmental fluid 104 with high efficiency.

超音波送受波器101において、超音波の透過効率を高くするために、(ρ2/ρ1)<(C1/C2)<1を満たすように設定されている。ここで、超音波の伝搬媒質部103での音速C1、超音波の環境流体104での音速C2、伝搬媒質部103の密度ρ1、環境流体104の密度ρ2を示す。 In the ultrasonic transducer 101, in order to increase the transmission efficiency of ultrasonic waves, (ρ 2 / ρ 1 ) <(C 1 / C 2 ) <1 is set. Here, the acoustic velocity C1 of the propagation medium portion 103 of the ultrasonic sound velocity C2 in the ultrasound environment fluid 104, the density of the propagation medium portion 103 .rho.1, showing the density [rho 2 of environmental fluid 104.

また、θ1はC1、C2、ρ1、ρ2を用いて、(tanθ12={(ρ2/ρ12−(C1/C22}/{(C1/C22−1}
を満たすように設定されている。
In addition, θ 1 uses (tan θ 1 ) 2 = {(ρ 2 / ρ 1 ) 2 − (C 1 / C 2 ) 2 } / {(C 1 using C 1 , C 2 , ρ 1 , ρ 2. / C 2 ) 2 -1}
It is set to satisfy.

また、θ1およびθ2は、(sinθ1/C1)=(sinθ2/C2)を満たすように設定されている。 Also, θ 1 and θ 2 are set so as to satisfy (sin θ 1 / C 1 ) = (sin θ 2 / C 2 ).

特許文献4に示すように、上記の式を満たしたときに、第2表面領域112における超音波の透過効率がほぼ1となる。従って、高効率に超音波を送波及び受波可能な超音波送受波器101を提供することが可能になる。   As shown in Patent Document 4, when the above equation is satisfied, the transmission efficiency of ultrasonic waves in the second surface region 112 is approximately 1. Therefore, it is possible to provide the ultrasonic transducer 101 that can transmit and receive ultrasonic waves with high efficiency.

特開2004−12421号公報JP 2004-12421 A 特開2004−279259号公報JP 2004-279259 A 国際公開第2004/098234号International Publication No. 2004/098234 米国特許出願公開第2005/0139013号明細書US Patent Application Publication No. 2005/0139013

「ナノフォーム材料の音響特性と超音波センサへの応用(一般/アコースティックイメージング)(Acoustic Properties of Nanofoam Material and its Applied Ultrasonic Sensors)」橋本 雅彦、永原 英知、杉ノ内 剛彦、社団法人 電子情報通信学会発行、電子情報通信学会技術研究報告、Vol.105,No.619、US2005−127(P.29−34)“Acoustic Properties of Nanofoam Materials and Application to Ultrasonic Sensors (General / Acoustic Imaging)” (Acoustic Properties of Nanofoam Applied Applied Ultrasonic Sensors), Masahiko Hashimoto, Hidetoshi Nagahara, Takeshi Sugiuchi Publication, IEICE technical report, Vol. 105, no. 619, US2005-127 (P.29-34)

特許文献1に開示された光マイクロフォンは、通常のマイクロフォンと同様に振動板の機械共振特性が周波数帯域に大きく影響する。すなわち、振動板の機械共振周波数よりも低い周波数では比較的平坦な周波数特性を持つ。しかしながら、共振周波数以上では、急激に感度が低下するためマイクロフォンとしての計測可能周波数帯の上限が共振周波数付近までに限定される。このため、振動板を用いる現状のコンデンサマイクロフォンの特性保証上限周波数は100kHz程度までであり、それ以上の場合には圧電型が用いられる。従って、充分な感度を保持しながら100kHz以上まで帯域特性が伸びた振動板を持つマイクロフォンを構成することは極めて困難である。   In the optical microphone disclosed in Patent Document 1, the mechanical resonance characteristic of the diaphragm greatly affects the frequency band as in the case of a normal microphone. That is, it has a relatively flat frequency characteristic at a frequency lower than the mechanical resonance frequency of the diaphragm. However, since the sensitivity rapidly decreases above the resonance frequency, the upper limit of the measurable frequency band as a microphone is limited to the vicinity of the resonance frequency. For this reason, the characteristic guaranteed upper limit frequency of the current condenser microphone using a diaphragm is up to about 100 kHz, and a piezoelectric type is used in the case of more than that. Therefore, it is extremely difficult to construct a microphone having a diaphragm whose band characteristics extend to 100 kHz or more while maintaining sufficient sensitivity.

また、特許文献2において開示されたレーザドプラーマイクロフォンは振動板を持たないため、機械共振による高周波域の制限がない。また、使用しているLDVの振動計測における高域限界は1MHzを容易に超える。ところが、空気の音圧に関する屈折率変化が小さいことから、充分な感度を確保するには極めて長い光路が必要となる。   Further, since the laser Doppler microphone disclosed in Patent Document 2 does not have a diaphragm, there is no restriction on the high frequency range due to mechanical resonance. Moreover, the high frequency limit in the vibration measurement of the LDV being used easily exceeds 1 MHz. However, since the refractive index change with respect to the sound pressure of air is small, a very long optical path is required to ensure sufficient sensitivity.

特許文献2に開示された例では、充分なS/Nを得るためには10m以上の光路長が必要である。従って、測定領域の小型化が極めて困難である。これにより、高周波領域では、測定領域内において音波干渉が容易に発生し、正確な音圧の測定が困難となる。この現象は、振動板タイプの場合の機械共振に相当し、「空洞共振」と呼ばれる。   In the example disclosed in Patent Document 2, an optical path length of 10 m or more is necessary to obtain sufficient S / N. Therefore, it is very difficult to reduce the size of the measurement area. As a result, in the high frequency region, sound wave interference easily occurs in the measurement region, making it difficult to accurately measure the sound pressure. This phenomenon corresponds to mechanical resonance in the case of the diaphragm type, and is called “cavity resonance”.

すなわち、測定範囲の寸法がマイクロフォンの高域限界を決定し、空気の音速は一般的な振動板の弾性波速度よりも遅いために、測定領域と振動板が同じ面積の場合、高域限界はレーザドプラーマイクロフォンの方が低くなる。以上のように従来構成の光マイクロフォンでは、光計測の帯域幅は充分広いものの、利用する機械共振や空洞共振によって高周波帯域が制限され、特に100kHz以上の超高周波領域で動作をさせることが困難になるという課題を有している。   That is, the dimension of the measurement range determines the high-frequency limit of the microphone, and since the sound speed of air is slower than the elastic wave velocity of a general diaphragm, if the measurement area and the diaphragm are the same area, the high-frequency limit is The laser Doppler microphone is lower. As described above, the optical microphone of the conventional configuration has a sufficiently wide bandwidth for optical measurement, but the high frequency band is limited by the mechanical resonance and cavity resonance to be used, and it is difficult to operate in an ultrahigh frequency region of 100 kHz or more. It has a problem of becoming.

さらに、10m以上の光路長が必要とされる点は、上記と異なる課題が生じる。一般に、自由空間における空気は、温度によるゆらぎや流動による屈折率分布の空間的・時間的不均一性を有している。従って、LDVなどの光干渉計を用いて音波を光路上の屈折率変動として捉える場合、長大な光路長による屈折率分布の大きな空間的・時間的不均一性が音波のみによる屈折率変動に混入する。それゆえ、本来排除されるべき信号が測定された音波信号に混入し、正しい音波計測が困難になるという課題もまた有している。   Furthermore, the point from which the optical path length of 10 m or more is required produces the subject different from the above. In general, air in free space has spatial and temporal non-uniformities in refractive index distribution due to fluctuations due to temperature and flow. Therefore, when using an optical interferometer such as an LDV to capture sound waves as refractive index fluctuations on the optical path, large spatial and temporal non-uniformities in the refractive index distribution due to the long optical path length are mixed into the refractive index fluctuations due to only the sound waves To do. Therefore, there is also a problem that a signal to be originally excluded is mixed into the measured sound wave signal and correct sound wave measurement becomes difficult.

特許文献2の構成を適用しつつも、力学的に強固な構造体で構成し、光路を真空やヘリウム等の流動性に富む希薄気体雰囲気中にとり、かつ、高いアライメント精度を実現することによって、本課題を解決することも原理的には可能であるが、その処方は装置全体として相当な価格上昇を招くという他の課題を誘発する。   While adopting the configuration of Patent Document 2, it is configured with a mechanically strong structure, the optical path is taken in a rare gas atmosphere rich in fluidity such as vacuum and helium, and high alignment accuracy is realized. Although it is possible in principle to solve this problem, the prescription induces another problem that the apparatus as a whole causes a considerable price increase.

また、特許文献3の超音波送受波器101においては、シリカ乾燥ゲルで構成された伝搬媒質部103への音波取り込みに周波数特性が無いため、広い周波数領域において音波が取り込こむことが可能であるが、取り込まれた音波を電気信号に変換するために、圧電セラミックなどの超音波振動子102が必要である。   Further, in the ultrasonic transducer 101 of Patent Document 3, since there is no frequency characteristic in the sound wave capturing into the propagation medium unit 103 composed of silica dry gel, it is possible to capture sound waves in a wide frequency range. However, an ultrasonic transducer 102 such as a piezoelectric ceramic is necessary to convert the captured sound wave into an electrical signal.

伝搬媒質部103をシリカ乾燥ゲルで構成し、超音波振動子102を圧電セラミックで構成すると、音響インピーダンス値は2桁から3桁の違いがあるため、伝搬媒質部103を伝搬して超音波振動子102に進入する音波は、伝搬媒質部103と超音波振動子102の界面(第1表面領域111)において大部分が反射される。反射された音波は、伝搬媒質部103内を逆向きに伝搬して一部は空気へ放出されるが、残りは伝搬媒質部103内の境界(第2表面領域112)で反射を繰り返しながら伝搬媒質部103内を伝搬して残響となる。   When the propagation medium part 103 is made of silica dry gel and the ultrasonic vibrator 102 is made of piezoelectric ceramic, the acoustic impedance value varies by two to three digits. Most of the sound waves that enter the child 102 are reflected at the interface (first surface region 111) between the propagation medium portion 103 and the ultrasonic transducer 102. The reflected sound wave propagates in the propagation medium part 103 in the opposite direction and a part is released to the air, but the rest propagates while being repeatedly reflected at the boundary (second surface region 112) in the propagation medium part 103. It propagates in the medium part 103 and becomes reverberation.

この伝搬媒質部103と超音波振動子102の界面(第1表面領域111)における反射現象は、シリカ乾燥ゲルで構成された伝搬媒質部103内に、電気信号への変換のための素子として圧電セラミックなどの音響インピーダンスの異なる物質を配置した構成においては、本質的に避けられない。この反射に伴う残響は、後から到達する音波信号に重畳してS/Nを低下させる要因となり、また不要な共振現象など周波数特性を悪化させるという課題がある。   The reflection phenomenon at the interface (first surface region 111) between the propagation medium unit 103 and the ultrasonic transducer 102 is caused by piezoelectricity as an element for conversion into an electric signal in the propagation medium unit 103 made of silica dry gel. In a configuration in which materials having different acoustic impedances such as ceramics are arranged, it is essentially inevitable. The reverberation accompanying this reflection is superimposed on a sound wave signal that arrives later and causes a decrease in S / N, and there is a problem of deteriorating frequency characteristics such as an unnecessary resonance phenomenon.

さらに、特許文献3の超音波送受波器101においては、受波感度が低いという課題も有している。以下、この課題の原因について説明する。   Furthermore, the ultrasonic transducer 101 of Patent Document 3 has a problem that the reception sensitivity is low. Hereinafter, the cause of this problem will be described.

環境流体104を伝搬してきた超音波のエネルギー密度は、超音波送受波器101に受波されるときに低下する。これが低い受波感度の原因である。図21を用いて、受波感度が低い原因を説明する。図21においては、超音波伝搬経路105を実線の矢印で示している。前記したように、超音波送受波器101が高効率で超音波を受波するためには、(ρ2/ρ1)<(C1/C2)<1、(tanθ12={(ρ2/ρ12−(C1/C22}/{(C1/C22−1}、(sinθ1/C1)=(sinθ2/C2)を満たす必要がある。このとき、環境流体104を伝搬してくる超音波の経路は、第2表面領域112の法線とのなす角度がθ2を満たしている。 The energy density of the ultrasonic wave that has propagated through the environmental fluid 104 decreases when it is received by the ultrasonic transducer 101. This is the cause of low reception sensitivity. The reason why the reception sensitivity is low will be described with reference to FIG. In FIG. 21, the ultrasonic propagation path 105 is indicated by a solid arrow. As described above, in order for the ultrasonic transducer 101 to receive ultrasonic waves with high efficiency, (ρ 2 / ρ 1 ) <(C 1 / C 2 ) <1, (tan θ 1 ) 2 = { (Ρ 2 / ρ 1 ) 2 − (C 1 / C 2 ) 2 } / {(C 1 / C 2 ) 2 −1}, (sin θ 1 / C 1 ) = (sin θ 2 / C 2 ) must be satisfied There is. At this time, in the path of the ultrasonic wave propagating through the environmental fluid 104, the angle formed with the normal line of the second surface region 112 satisfies θ2.

よって、図21では、超音波は、流体104の長さ(L2+L3+L4)の範囲を超音波送受波器101に向かって伝搬し、さらに超音波の伝搬経路と第2表面領域112の法線とのなす角度がθ2を満たしているとする。ここで、長さL2の範囲とは、超音波伝搬経路105に平行な範囲であって、超音波が、第2表面領域112に全く到達しない範囲を意味する。長さL3の範囲とは、長さL2の範囲に隣接し、かつ、超音波伝搬経路105に平行な範囲であって、超音波が、第2表面領域112に全て到達可能な範囲を意味する。長さL4の範囲とは、長さL3の範囲に隣接し、かつ、超音波伝搬経路105に平行な範囲であって、超音波が、第2表面領域112に全て到達しない範囲を意味する。   Accordingly, in FIG. 21, the ultrasonic wave propagates in the range of the length of the fluid 104 (L2 + L3 + L4) toward the ultrasonic transducer 101, and further, the ultrasonic wave propagation path and the normal line of the second surface region 112 Assume that the angle formed satisfies θ2. Here, the range of the length L <b> 2 means a range that is parallel to the ultrasonic propagation path 105 and that does not reach the second surface region 112 at all. The range of the length L3 is a range adjacent to the range of the length L2 and parallel to the ultrasonic wave propagation path 105, and means a range in which the ultrasonic wave can reach all of the second surface region 112. . The range of the length L4 means a range that is adjacent to the range of the length L3 and parallel to the ultrasonic wave propagation path 105 and that the ultrasonic waves do not reach the second surface region 112 at all.

図21に示すように、環境流体104の長さ(L2+L3+L4)の範囲を伝搬してくる全ての超音波が、超音波送受波器101に受波されるわけではない。長さL3の範囲を伝搬してくる超音波は、第2表面領域112に到達して、超音波送受波器101に受波される。しかし、長さL2の範囲及び長さL4の範囲を伝搬してくる超音波は、第2表面領域112に到達することができず、超音波送受波器101に受波されない。   As shown in FIG. 21, not all the ultrasonic waves propagating in the range of the length (L2 + L3 + L4) of the environmental fluid 104 are received by the ultrasonic transducer 101. The ultrasonic wave propagating through the length L3 reaches the second surface region 112 and is received by the ultrasonic transducer 101. However, the ultrasonic wave propagating through the range of the length L2 and the range of the length L4 cannot reach the second surface region 112 and is not received by the ultrasonic transducer 101.

つまり、環境流体104を伝搬してきた超音波(長さL2+L3+L4の範囲を伝搬してくる超音波)のうちの一部の超音波(長さL3の範囲を伝搬してくる超音波)が、超音波送受波器101に受波される。   That is, a part of the ultrasonic waves (ultrasonic waves propagating through the range of length L3) out of the ultrasonic waves propagating through the environmental fluid 104 (ultrasonic waves propagating through the range of length L2 + L3 + L4) It is received by the sonic transducer 101.

そして、環境流体104の長さL3の範囲を伝搬してきた超音波は第2表面領域112を透過し、長さL1の範囲の超音波振動子102に検出される。このとき、L3<<L1であるために、超音波送受波器101で受波される超音波は、第2表面領域112で拡散されて超音波振動子102に到達する。従って、超音波が超音波送受波器101に受波されるときに、そのエネルギー密度が低下する。この超音波が有するエネルギー密度の低下により、超音波送受波器101の受波感度が低下する。   Then, the ultrasonic wave that has propagated through the range of the length L3 of the environmental fluid 104 passes through the second surface region 112 and is detected by the ultrasonic transducer 102 within the range of the length L1. At this time, since L3 << L1, the ultrasonic wave received by the ultrasonic transducer 101 is diffused by the second surface region 112 and reaches the ultrasonic transducer 102. Therefore, when the ultrasonic wave is received by the ultrasonic transducer 101, the energy density is lowered. Due to the reduction of the energy density of the ultrasonic wave, the wave receiving sensitivity of the ultrasonic transducer 101 is lowered.

以上の理由により、超音波送受波器101の受波感度は低いものである。すなわち、第2表面領域112で受波することが可能な超音波の伝搬範囲の長さL3が超音波振動子102の長さL1より小さいため、超音波受波器101の受波感度は低いものとなっている。   For the above reasons, the wave receiving sensitivity of the ultrasonic transducer 101 is low. That is, since the length L3 of the ultrasonic propagation range that can be received by the second surface region 112 is smaller than the length L1 of the ultrasonic transducer 102, the reception sensitivity of the ultrasonic receiver 101 is low. It has become a thing.

本発明の目的は、前記の課題を鑑みてなされたものであり、従来のマイクロフォンの高域限界を大きく越えた超音波領域まで音圧計測が可能で、かつ環境変動に対する高い耐性と高感度・高効率な計測を両立させた光学式超音波マイクロフォンを提供するものである。   The object of the present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and is capable of measuring sound pressure up to an ultrasonic region that greatly exceeds the high frequency limit of a conventional microphone, and has high resistance and high sensitivity to environmental fluctuations. The present invention provides an optical ultrasonic microphone that achieves both high-efficiency measurement.

本発明のマイクロフォンは、環境流体で満たされた周囲の空間を伝搬する音波の受波を行うマイクロフォンであって、前記音波が入射する第1の開口部と、前記第1の開口部から入射した音波が伝搬する音響導波路と、透過面を有し、前記透過面が前記超音波の伝搬方向に沿って前記音響導波路の一面を構成するように前記導波路に設けられた光音響伝搬媒質部であって、前記導波路を伝搬するにしたがって前記超音波の一部が前記透過面からそれぞれ前記伝搬媒質部へ透過し、所定の収束点に収束するように前記透過面が構成され、前記導波路に対して配置されている光音響伝搬媒質部と、前記収束点に向かって光波を放射し、かつ、放射した光波が光音響伝搬媒質部を伝搬して反射した光波を受信し、受信した光波から前記音波の音圧を求める検出部とを備え、前記光音響伝搬媒質部の密度ρn、前記光音響伝搬媒質部における音速Cn、前記音響導波路を満たす気体の密度ρa、及び前記音響導波路を満たす気体における音速Caが、(ρa/ρn)<(Cn/Ca)<1の関係を満たし、前記導波路の第1の開口部から、前記透過面上の前記超音波の伝搬方向に沿った任意の位置に設定した点Pまでの導波路の長さをLaとし、前記点Pから前記収束点までの長さをLnとしたとき、点Pの位置にかかわらず、La/Ca+Ln/Cnが一定である。 The microphone of the present invention is a microphone that receives a sound wave propagating through a surrounding space filled with an environmental fluid, and the first opening through which the sound wave enters and the first opening. A photoacoustic propagation medium provided in the waveguide so as to have an acoustic waveguide through which sound waves propagate and a transmission surface, and the transmission surface forms one surface of the acoustic waveguide along the propagation direction of the ultrasonic waves A part of the ultrasonic wave is transmitted from the transmission surface to the propagation medium part as it propagates through the waveguide, and the transmission surface is configured to converge to a predetermined convergence point, A photoacoustic propagation medium portion disposed with respect to the waveguide, and a light wave that radiates toward the convergence point, and a light wave that is reflected by the radiated light wave propagating through the photoacoustic propagation medium portion is received and received. The sound pressure of the sound wave And a Mel detector, the density [rho n of the optical acoustic propagation medium portion, the sound velocity C n in the optical acoustic propagation medium portion, the density [rho a gas filling the acoustic waveguide, and the gas filling the acoustic waveguide The sound velocity C a satisfies the relationship (ρ a / ρ n ) <(C n / C a ) <1, and the propagation direction of the ultrasonic wave on the transmission surface from the first opening of the waveguide the length of the waveguide to the point P is set at an arbitrary position and L a along, when the length from the point P to the convergence point was L n, regardless of the position of the point P, L a / C a + L n / C n is constant.

本発明の光学式超音波マイクロフォンによれば、周囲空間の気体を伝搬してくる音波を開口部から音響導波路に取り込み、音響導波路内から光音響伝搬媒質部内を進行する音波を、マッハツェンダー形光干渉計を用いて計測することにより、従来の振動板の機械共振などによる限界を大きく超える高周波領域まで測定可能であり、かつ従来の圧電セラミックなどの電気音響変換器による音波の反射の影響を回避するとともに、小形かつ周辺環境の変動に対する高い安定性を実現することによって、より高感度で精密な音圧測定が可能な光学式超音波マイクロフォンを提供することができる。   According to the optical ultrasonic microphone of the present invention, the sound wave propagating through the gas in the surrounding space is taken into the acoustic waveguide from the opening, and the sound wave traveling in the photoacoustic propagation medium portion from the acoustic waveguide is converted into the Mach-Zehnder. By measuring with an optical interferometer, it is possible to measure up to a high frequency region that greatly exceeds the limits due to mechanical resonance of conventional diaphragms, and the influence of sound wave reflection by conventional electroacoustic transducers such as piezoelectric ceramics In addition, it is possible to provide an optical ultrasonic microphone capable of measuring sound pressure with higher sensitivity and accuracy by realizing small size and high stability against fluctuations in the surrounding environment.

第1実施形態の光学式超音波マイクロフォン51の概略構造を示した斜視図The perspective view which showed schematic structure of the optical ultrasonic microphone 51 of 1st Embodiment. 図1に示す光学式超音波マイクロフォン51の一部を、X方向における収束部77及び音響導波部材56の中央で、YZ平面と平行な平面によって切断した断面図1 is a cross-sectional view of a part of the optical ultrasonic microphone 51 shown in FIG. 1 cut along a plane parallel to the YZ plane at the center of the convergence portion 77 and the acoustic waveguide member 56 in the X direction. 図1に示す光学式超音波マイクロフォンのベースの一部および音響導波部材の一部を示す斜視図The perspective view which shows a part of base of the optical ultrasonic microphone shown in FIG. 1, and a part of acoustic waveguide member 図1に示す光学式超音波マイクロフォンにおける音波の伝搬・屈折を説明するための模式図Schematic diagram for explaining the propagation and refraction of sound waves in the optical ultrasonic microphone shown in FIG. 本発明第1実施形態における光学式超音波マイクロフォンの音波収束を説明するための模式図The schematic diagram for demonstrating the sound wave convergence of the optical ultrasonic microphone in 1st Embodiment of this invention 図1に示す光学式超音波マイクロフォンにおける音波伝搬に対する計算実験結果を示す音圧分布図Sound pressure distribution diagram showing the results of a calculation experiment for sound wave propagation in the optical ultrasonic microphone shown in FIG. 図1に示す光学式超音波マイクロフォンにおける音波伝搬に対する計算実験結果を示す音圧分布図Sound pressure distribution diagram showing the results of a calculation experiment for sound wave propagation in the optical ultrasonic microphone shown in FIG. 図1に示す光学式超音波マイクロフォンにおける音波伝搬に対する計算実験結果を示す音圧分布図Sound pressure distribution diagram showing the results of a calculation experiment for sound wave propagation in the optical ultrasonic microphone shown in FIG. 図1に示す光学式超音波マイクロフォンにおける音波伝搬に対する計算実験結果を示す音圧分布図Sound pressure distribution diagram showing the results of a calculation experiment for sound wave propagation in the optical ultrasonic microphone shown in FIG. 図1に示す光学式超音波マイクロフォンにおける音波伝搬に対する計算実験結果を示す音圧分布図Sound pressure distribution diagram showing the results of a calculation experiment for sound wave propagation in the optical ultrasonic microphone shown in FIG. 図1に示す光学式超音波マイクロフォンにおける音波伝搬に対する計算実験結果を示す音圧分布図Sound pressure distribution diagram showing the results of a calculation experiment for sound wave propagation in the optical ultrasonic microphone shown in FIG. 図6から図11に示す実験に用いた入力音波信号の時間波形を示すグラフThe graph which shows the time waveform of the input sound wave signal used for the experiment shown in FIGS. 第1実施形態の変形例にかかる光学式超音波マイクロフォン51Aの概略装置構成を示す断面図Sectional drawing which shows schematic apparatus structure of the optical ultrasonic microphone 51A concerning the modification of 1st Embodiment. 本発明第1実施形態における光学式超音波マイクロフォンの光音響伝搬媒質部の音波伝搬の等位相面の計測結果を示す等高線図Contour map showing measurement result of isophase surface of sound wave propagation of photoacoustic propagation medium part of optical ultrasonic microphone in first embodiment of the present invention 音波音響焦点57の付近における光学式超音波マイクロフォン51のLDV出力波形(振幅計測波形)81の一例を示す時間波形図Time waveform diagram showing an example of the LDV output waveform (amplitude measurement waveform) 81 of the optical ultrasonic microphone 51 in the vicinity of the acoustic acoustic focus 57 本発明の光学式超音波マイクロフォンの第2実施形態における光学式音圧測定部1300の光学系構造を示した構成図The block diagram which showed the optical system structure of the optical sound pressure measurement part 1300 in 2nd Embodiment of the optical ultrasonic microphone of this invention. 本発明の第2実施形態における光学式超音波マイクロフォンの原理実証用の実験装置を示した装置の構成図The block diagram of the apparatus which showed the experimental apparatus for proof of principle of the optical ultrasonic microphone in 2nd Embodiment of this invention 図17の光学式超音波マイクロフォンの原理実証用の実験装置により測定されたデジタル・オシロスコープ1408からの出力信号の時間波形およびスピーカ1410への入力信号の時間波形を示した図The figure which showed the time waveform of the output signal from the digital oscilloscope 1408, and the time waveform of the input signal to the speaker 1410 measured by the experimental apparatus for proof of principle of the optical ultrasonic microphone of FIG. 本発明の第3実施形態における測定ダイナミックレンジが広くかつ信号歪のない光学式超音波マイクロフォン1300の光学系構成を示した構成図The block diagram which showed the optical system structure of the optical ultrasonic microphone 1300 with a wide measurement dynamic range and no signal distortion in 3rd Embodiment of this invention. 特許文献2における従来の超音波送受波器の断面図Sectional drawing of the conventional ultrasonic transducer in patent document 2 特許文献3における従来の光マイクロフォンの構成図Configuration diagram of conventional optical microphone in Patent Document 3

本願発明者らは、シリカ乾燥ゲルが光学的に透明に近い性質を有していることに着目し、
例えばシリカ乾燥ゲルにおける音圧と屈折率の変化率が空気中における変化率に対して、1桁程度高いことを見出した。
The inventors of the present application pay attention to the fact that the silica dry gel has a property close to optical transparency,
For example, it has been found that the rate of change in sound pressure and refractive index in silica dry gel is about an order of magnitude higher than the rate of change in air.

音圧による屈折率の変化率は、通常固体、液体、気体の順番で大きくなり、通常のバルク材料には見られない極めて特異な性質である。   The rate of change in refractive index due to sound pressure usually increases in the order of solid, liquid, and gas, and is a very unique property that is not found in normal bulk materials.

本発明は、気体などの音響インピーダンスの極めて低い物体から固体へと高い効率で超音波を伝搬させることの出来る超音波受波器の界面現象の基本原理を利用するとともに、これらの条件を満たす固体材料が、音波によって極めて大きな屈折率変化を発生させるという現象を使って、極めて高周波領域まで帯域特性が伸びる光学式超音波マイクロフォンを構成した点にある。   The present invention utilizes a basic principle of an interface phenomenon of an ultrasonic receiver capable of propagating ultrasonic waves with high efficiency from an object with extremely low acoustic impedance such as gas to a solid, and a solid satisfying these conditions. The material is that an optical ultrasonic microphone whose band characteristics extend to an extremely high frequency region is formed by using a phenomenon that a very large refractive index change is generated by sound waves.

また、本発明は、マッハツェンダー型干渉計を用いて、可能な限り短い経路長で全光学系を構成するとともに、音圧により光音響伝搬媒質中に生成される屈折率変動を光路長変動として、干渉光の振幅変動、あるいは、干渉光の位相変動から直接的に計測できる利点を有する。   In addition, the present invention uses a Mach-Zehnder interferometer to configure the entire optical system with a path length as short as possible, and to change the refractive index fluctuation generated in the photoacoustic propagation medium by the sound pressure as the optical path length fluctuation. This has the advantage of being able to measure directly from the amplitude fluctuation of the interference light or the phase fluctuation of the interference light.

以下、図面を参照しながら、本発明の光学式超音波マイクロフォンを説明する。   The optical ultrasonic microphone of the present invention will be described below with reference to the drawings.

(第1実施形態)
図1に、第1実施形態の光学式超音波マイクロフォン51を示す。第1実施形態の光学式マイクロフォン51は、環境流体14を伝搬する超音波を入射する音響ホーンの開口部71と、開口部71から入射した超音波が伝搬する音響導波路60と、音響導波路60を伝搬する少なくとも一部の超音波が伝搬する光音響伝搬媒質部52と、光音響伝搬媒質部52を伝搬する超音波が収束する音響焦点57に向かってレーザ光58を発射するLDVヘッド8と、発射したレーザ光58の反射波から超音波を検出するLDV演算処理部9とを備える。
(First embodiment)
FIG. 1 shows an optical ultrasonic microphone 51 of the first embodiment. The optical microphone 51 of the first embodiment includes an opening 71 of an acoustic horn that receives an ultrasonic wave that propagates through an environmental fluid 14, an acoustic waveguide 60 through which an ultrasonic wave incident from the opening 71 propagates, and an acoustic waveguide. An LDV head 8 that emits laser light 58 toward a photoacoustic propagation medium portion 52 in which at least a part of ultrasonic waves propagating through 60 propagates, and an acoustic focus 57 in which the ultrasonic waves propagated through the photoacoustic propagation medium portion 52 converge. And an LDV arithmetic processing unit 9 that detects ultrasonic waves from the reflected waves of the emitted laser beam 58.

光学式マイクロフォン51の動作の概要を説明する。光学式マイクロフォン51の外部に存在する環境流体14から音波伝搬方向55に沿って、超音波が光学式マイクロフォン51の内部に入射する。光学式マイクロフォン51の内部に入射した超音波は、音響導波路60及び光音響伝搬媒質部52を伝搬し、音響焦点57に収束する。LDVヘッド8は、音響焦点57に向かって、レーザ光58を発射する。LDVヘッド8は、発射したレーザ光58の反射波を受信する。LDV演算処理部9は、LDVヘッド8が受信した反射波から、音響焦点57に収束した超音波による光音響伝搬媒質部52の屈折率の変化を求める。光学式マイクロフォン51は、この屈折率の変化量に対応する超音波(例えば、超音波の音圧)を検出できる。   An outline of the operation of the optical microphone 51 will be described. Ultrasound enters the inside of the optical microphone 51 along the sound wave propagation direction 55 from the environmental fluid 14 existing outside the optical microphone 51. The ultrasonic wave incident on the inside of the optical microphone 51 propagates through the acoustic waveguide 60 and the photoacoustic propagation medium unit 52 and converges to the acoustic focal point 57. The LDV head 8 emits a laser beam 58 toward the acoustic focal point 57. The LDV head 8 receives the reflected wave of the emitted laser beam 58. The LDV arithmetic processing unit 9 obtains a change in the refractive index of the photoacoustic propagation medium unit 52 due to the ultrasonic wave converged on the acoustic focus 57 from the reflected wave received by the LDV head 8. The optical microphone 51 can detect ultrasonic waves (for example, sound pressure of ultrasonic waves) corresponding to the amount of change in the refractive index.

以下、図1の光学式超音波マイクロフォン51の各部を詳細に説明する。   Hereinafter, each part of the optical ultrasonic microphone 51 of FIG. 1 will be described in detail.

(収束部77)
図2は、図1に示す光学式超音波マイクロフォン51の一部を、X方向における収束部77及び音響導波部材56の中央において、YZ平面と平行な平面で切断した断面図を示す。
(Convergence unit 77)
FIG. 2 is a cross-sectional view of a part of the optical ultrasonic microphone 51 shown in FIG. 1 cut along a plane parallel to the YZ plane at the center of the converging portion 77 and the acoustic waveguide member 56 in the X direction.

収束部77は、外部から伝搬する超音波が入射する第1の開口部71と、音響導波路部材56(音響導波路60)に接続される第2の開口部63とを備える。第1の開口部と第2の開口部との間は、超音波が伝搬する内空間70を形成している。   The converging unit 77 includes a first opening 71 into which ultrasonic waves propagating from the outside are incident, and a second opening 63 connected to the acoustic waveguide member 56 (acoustic waveguide 60). An inner space 70 in which ultrasonic waves propagate is formed between the first opening and the second opening.

環境流体14を音波伝搬方向55で伝搬する超音波は、第1の開口部71から入射した後に、内空間70を伝搬する際に、その伝搬方向が制御されるとともに、音圧を高められる(圧縮される)。収束部77で音圧が高められた音波は、収束部77に接続された音響導波路60へ伝搬する。   When the ultrasonic wave propagating through the environmental fluid 14 in the sound wave propagation direction 55 is incident from the first opening 71 and then propagates through the internal space 70, the propagation direction is controlled and the sound pressure is increased ( Compressed). The sound wave whose sound pressure is increased by the converging unit 77 propagates to the acoustic waveguide 60 connected to the converging unit 77.

内空間70は、第1の開口部71から音波の伝搬する伝搬方向g7に沿って、伝搬方向g7に直行する平面の断面積a7が徐々に小さくなっている。より好ましくは、第1の開口部71から第2の開口部63に向う伝搬方向g7に対して、断面積a7が指数関数的に減少するように、内空間70の形状を規定する収束部77の内側面が伝搬方向g7に沿って曲面形状を有しているように構成する。   In the internal space 70, the cross-sectional area a7 of the plane orthogonal to the propagation direction g7 gradually decreases along the propagation direction g7 in which the sound wave propagates from the first opening 71. More preferably, a converging portion 77 that defines the shape of the inner space 70 so that the cross-sectional area a7 decreases exponentially with respect to the propagation direction g7 from the first opening 71 toward the second opening 63. The inner surface is configured to have a curved surface shape along the propagation direction g7.

収束部77のX方向の幅寸法は一定でもよいし、幅寸法が徐々に小さくなっていてもよい。収束部77のX方向の幅寸法が一定である場合には、Z方向の幅寸法は伝搬方向g7に対して指数関数的に減少するように構成するのが好ましい。また、収束部77のX方向の幅寸法及びZ方向の幅寸法を伝搬方向g7に対して√eに比例して減少させることにより、断面積a7を指数関数的に減少させてもよい。このように断面積a7が指数関数的に減少することにより、収束部77での音波の反射を最小に抑えて、位相の乱れなく音波を圧縮し、音圧を高めることができる。   The width dimension in the X direction of the converging portion 77 may be constant, or the width dimension may be gradually reduced. When the width dimension in the X direction of the converging part 77 is constant, it is preferable that the width dimension in the Z direction decreases exponentially with respect to the propagation direction g7. Further, the cross-sectional area a7 may be decreased exponentially by decreasing the width dimension in the X direction and the width dimension in the Z direction of the converging portion 77 in proportion to √e with respect to the propagation direction g7. As the cross-sectional area a7 decreases exponentially in this way, the reflection of the sound wave at the converging part 77 can be suppressed to the minimum, the sound wave can be compressed without the disturbance of the phase, and the sound pressure can be increased.

収束部77は、例えば、Y方向に100mmの長さを有し、第1の開口部71はZ方向及びX方向にそれぞれ50mmの長さを有する正方形状である。また、端部72は、X方向及びZ方向に2mmの長さを有する正方形状である。第1実施形態では、Z方向及びX方向の2方向に長さを変化させている。開口部71の位置をY方向の原点(0)とした場合、原点からのY方向の位置=0mm/20mm/40mm/60mm/80mm/100mmのそれぞれの位置における内空間70のX方向及びZ方向の長さ(X方向の長さとZ方向の長さとはそれぞれの位置で同一。)は、50.0mm/26.3mm/13.8mm/7.2mm/3.8mm/2.0mmである。   For example, the converging portion 77 has a length of 100 mm in the Y direction, and the first opening 71 has a square shape having a length of 50 mm in each of the Z direction and the X direction. The end portion 72 has a square shape with a length of 2 mm in the X direction and the Z direction. In the first embodiment, the length is changed in two directions, the Z direction and the X direction. When the position of the opening 71 is the origin (0) in the Y direction, the position in the Y direction from the origin = 0 mm / 20 mm / 40 mm / 60 mm / 80 mm / 100 mm in the X direction and the Z direction of the inner space 70 at each position (The length in the X direction and the length in the Z direction are the same at each position) are 50.0 mm / 26.3 mm / 13.8 mm / 7.2 mm / 3.8 mm / 2.0 mm.

上述のサイズを備えた収束部77によれば、収束部77が無い場合に比べて、約10dB程度の音波の音圧上昇の効果が得られる。また、音圧の時間変化となる音圧波形の形状は、開口部71と端部72とでの測定結果において、ほとんど変化が見られず、環境流体14(例えば空気)を伝搬する音波を乱すことなく、端部72において音波エネルギーが圧縮されている。   According to the converging unit 77 having the above-described size, an effect of increasing the sound pressure of the sound wave of about 10 dB can be obtained as compared with the case where the converging unit 77 is not provided. The shape of the sound pressure waveform that changes with time of the sound pressure hardly changes in the measurement results at the opening 71 and the end 72, and disturbs the sound wave that propagates in the environmental fluid 14 (for example, air). Instead, the sonic energy is compressed at the end 72.

収束部77は、例えば、金属である肉厚5mmのアルミニウム板を機械加工により所定の形状に加工することによって構成することができる。内空間70を伝搬する音波がほとんど透過せず、形状の効果によって音波エネルギーの密度を高めることのできる材料であれば、アルミニウム以外の材料によって収束部77を形成してもよい。例えば、樹脂やセラミックなどの材料を用いて収束部77を構成してもよい。また、収束部77はホーン型の外形を有していなくてもよく、内空間70が上述したようなホーン形状を有していればよい。   The converging part 77 can be configured, for example, by machining a metal aluminum plate having a thickness of 5 mm into a predetermined shape by machining. The converging portion 77 may be formed of a material other than aluminum as long as the sound wave propagating through the inner space 70 is hardly transmitted and the density of the sound wave energy can be increased by the shape effect. For example, the converging portion 77 may be configured using a material such as resin or ceramic. Moreover, the converging part 77 does not need to have a horn-shaped outer shape, and the inner space 70 only needs to have a horn shape as described above.

(音響導波路60)
次に、音波を所定の方向へ伝搬させる音響導波路60を説明する。音響導波路60は、音響導波部材56により構成される。音響導波路60は、収束部77の第2の開口部63に接続されている。環境流体14から入射し、収束部77を伝搬する音波は、第2の開口部63と接続された部分から音響導波路60に入射する。
(Acoustic waveguide 60)
Next, the acoustic waveguide 60 that propagates sound waves in a predetermined direction will be described. The acoustic waveguide 60 is configured by an acoustic waveguide member 56. The acoustic waveguide 60 is connected to the second opening 63 of the converging unit 77. A sound wave that enters from the environmental fluid 14 and propagates through the converging portion 77 enters the acoustic waveguide 60 from a portion connected to the second opening 63.

図2に示すように、音響導波路60は、音波の伝搬方向と直交する平面における音響導波路60の断面積を小さくする。ここでは、ZY平面に対して平行な超音波の伝搬方向g6に沿って、ZY平面における幅寸法が位置によって変化している。音響導波路60のX軸方向の幅寸法は一定であり、例えば、2mmである。X軸方向の幅寸法も変化するように設計することも可能である。   As shown in FIG. 2, the acoustic waveguide 60 reduces the cross-sectional area of the acoustic waveguide 60 in a plane orthogonal to the sound wave propagation direction. Here, the width dimension in the ZY plane changes with the position along the propagation direction g6 of the ultrasonic wave parallel to the ZY plane. The width dimension in the X-axis direction of the acoustic waveguide 60 is constant, for example, 2 mm. It is also possible to design the width dimension in the X-axis direction to change.

このような形状を音響導波路60が有する理由を説明する。音響導波路60は、光音響伝搬媒質部52と接し、光音響伝搬媒質部52との界面により規定される透過面61と、音響導波部材56により規定される導波路外面62とを含んでいる。また、音響導波路60のX方向の手前側及び奥側も、音響導波部材56により規定されている。音波は、音響導波路60内を伝搬するに従って、光音響伝搬媒質部52と音響導波路60とが接した透過面61から光音響伝搬媒質部52へ少しずつ浸潤(伝搬)してゆく。このとき、透過面61において、音波の伝搬方向が屈折する。光音響伝搬媒質部52は、音響導波路60の一部を構成するように、設けられても良い。   The reason why the acoustic waveguide 60 has such a shape will be described. The acoustic waveguide 60 includes a transmission surface 61 that is in contact with the photoacoustic propagation medium portion 52 and is defined by an interface with the photoacoustic propagation medium portion 52, and a waveguide outer surface 62 that is defined by the acoustic waveguide member 56. Yes. Further, the near side and the far side in the X direction of the acoustic waveguide 60 are also defined by the acoustic waveguide member 56. As the sound wave propagates through the acoustic waveguide 60, the sound wave gradually infiltrates (propagates) from the transmission surface 61 where the photoacoustic propagation medium unit 52 and the acoustic waveguide 60 are in contact to the photoacoustic propagation medium unit 52. At this time, the propagation direction of the sound wave is refracted on the transmission surface 61. The photoacoustic propagation medium unit 52 may be provided so as to constitute a part of the acoustic waveguide 60.

音響導波路60を音波が伝搬するに従って、少なくとも一部の音波が透過面61から光音響伝搬媒質部52へ透過する結果、音響導波路60を伝搬する音波のエネルギーが低下していく。エネルギーの低下を補うために、音波を圧縮させる(音波の音圧を高める)ために、音波の伝搬方向と直交する平面における音響導波路60の断面積を小さくする。   As the sound wave propagates through the acoustic waveguide 60, at least a part of the sound wave is transmitted from the transmission surface 61 to the photoacoustic propagation medium unit 52. As a result, the energy of the sound wave propagating through the acoustic waveguide 60 decreases. In order to compensate for the decrease in energy, in order to compress the sound wave (increase the sound pressure of the sound wave), the cross-sectional area of the acoustic waveguide 60 in the plane orthogonal to the propagation direction of the sound wave is reduced.

具体的には、透過面61と導波路外面62との間の空間である音響導波路60は、YZ平面における伝搬方向g6に垂直な幅が伝搬方向に対して単調減少する形状である。また、音響導波路60の導波路終端64は、閉塞されている。この形状により、音響導波路60を伝搬する音波のエネルギー密度を一定に保ちながら、音波を光音響伝搬媒質部52へ効率的に屈折透過させることができる。音響導波路60を伝搬する音波が光音響伝搬媒質部52に入射するまでの具体的な動作については、後述する。   Specifically, the acoustic waveguide 60 which is a space between the transmission surface 61 and the waveguide outer surface 62 has a shape in which the width perpendicular to the propagation direction g6 in the YZ plane monotonously decreases with respect to the propagation direction. Further, the waveguide end 64 of the acoustic waveguide 60 is closed. With this shape, the sound wave can be efficiently refracted and transmitted to the photoacoustic propagation medium unit 52 while keeping the energy density of the sound wave propagating through the acoustic waveguide 60 constant. A specific operation until the sound wave propagating through the acoustic waveguide 60 enters the photoacoustic propagation medium unit 52 will be described later.

(光音響伝搬媒質部52)
次に、音響導波路60から音響伝搬媒質部52に音波が透過する透過面61を規定する光音響伝搬媒質部52を説明する。光音響伝搬媒質部52は、環境流体14よりも音波の伝搬速度が遅い材料によって構成されている。つまり、伝搬媒質における音波の速度をCn、環境流体14における音波の音速をCaとしたとき、(Cn/Ca)<1を満たしている。この条件を満たす材料としては、無機酸化合物又は有機高分子の乾燥ゲルがある。無機酸化合物の乾燥ゲルとしては、シリカ乾燥ゲルを用いることが好ましい。以下、シリカ乾燥ゲルの製造方法を説明する。
(Photoacoustic propagation medium part 52)
Next, the photoacoustic propagation medium part 52 that defines a transmission surface 61 through which sound waves are transmitted from the acoustic waveguide 60 to the acoustic propagation medium part 52 will be described. The photoacoustic propagation medium portion 52 is made of a material having a slower propagation speed of sound waves than the environmental fluid 14. That is, when the velocity of the sound wave in the propagation medium is Cn and the sound velocity of the sound wave in the environmental fluid 14 is Ca, (C n / C a ) <1 is satisfied. As a material satisfying this condition, there is a dry gel of an inorganic acid compound or an organic polymer. As a dry gel of an inorganic acid compound, it is preferable to use a silica dry gel. Hereinafter, the manufacturing method of a silica dry gel is demonstrated.

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. “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.

光音響伝搬媒質部52の伝搬媒質は、より好ましくは、伝搬媒質における音波の速度をCn、環境流体14における音波の音速をCa、伝搬媒質の密度をρn、環境流体14の密度をρaとしたとき、(ρn/ρa)<(Ca/Cn)<1を満足している。 More preferably, the propagation medium of the photoacoustic propagation medium unit 52 has the velocity of sound waves in the propagation medium as Cn, the sound velocity of sound waves in the environmental fluid 14 as Ca, the density of the propagation medium as ρn, and the density of the environmental fluid 14 as ρa. (Ρ n / ρ a ) <(C a / C n ) <1.

光音響伝搬媒質部52の伝搬媒質は、伝搬媒質の密度をρnが100kg/m3以上であり、伝搬媒質における音波の速度をCnが300m/s以下であることがより好ましい。 More preferably, the propagation medium of the photoacoustic propagation medium unit 52 has a propagation medium density of ρn of 100 kg / m 3 or more and a sound wave velocity in the propagation medium of Cn of 300 m / s or less.

第1実施形態で用いる光音響伝搬媒質部52を構成するシリカ乾燥ゲルの密度ρnは、200kg/m3であり、シリカ乾燥ゲルにおける音速Cnは、150m/sである。これらの値は、特許文献1に示した屈折伝搬現象を満たす材料である。なお、空気の密度ρaは、1.12kg/m3であり、音速Caは、室温付近で340m/sである。 The density ρn of the silica dry gel constituting the photoacoustic propagation medium unit 52 used in the first embodiment is 200 kg / m 3 , and the sound velocity Cn in the silica dry gel is 150 m / s. These values are materials that satisfy the refraction propagation phenomenon shown in Patent Document 1. The air density ρa is 1.12 kg / m 3 , and the sound velocity Ca is 340 m / s near room temperature.

また、光音響伝搬媒質部52は、環境流体14から取り込んだ音波を音響焦点57まで伝搬させる役割を果たすため、内部損失が大きいと、音響焦点57に到達する音波が弱まってしまう。このため、光音響伝搬媒質部52は、内部損失が少ない材料が好ましい。シリカ乾燥ゲルは、上述の音速及び密度の条件を満たし、内部損失が小さい材料である。   Further, since the photoacoustic propagation medium unit 52 plays a role of propagating the sound wave taken from the environmental fluid 14 to the acoustic focal point 57, if the internal loss is large, the acoustic wave reaching the acoustic focal point 57 is weakened. For this reason, the photoacoustic propagation medium portion 52 is preferably made of a material having a small internal loss. Silica dry gel is a material that satisfies the above-mentioned sound velocity and density conditions and has low internal loss.

(ベース53)
光音響伝搬媒質部52を支持するベース53を説明する。光音響伝搬媒質部52を構成するシリカ乾燥ゲルは密度が低いため、機械的強度も低い。このため、取り扱いが困難である。従って、光音響伝搬媒質部52を安定に支持するためにベース53が設ける。
(Base 53)
The base 53 that supports the photoacoustic propagation medium unit 52 will be described. Since the silica dry gel which comprises the photoacoustic propagation medium part 52 has a low density, its mechanical strength is also low. For this reason, handling is difficult. Therefore, the base 53 is provided in order to stably support the photoacoustic propagation medium portion 52.

図1は、理解しやすくするため、光音響伝搬媒質部52の表面側に位置するベース53の一部を破断させて、光音響伝搬媒質部52を露出させるように図示している。実際には、光音響伝搬媒質部52の表面は、後述する計測用貫通穴53aを除き、ベース53で全て覆われていても良い。光音響伝搬媒質部52の表面が、計測用貫通穴53aを除いて全て覆われている場合には、検出対象となる超音波以外の音波等が入射することを避けることができる。   For ease of understanding, FIG. 1 illustrates that the photoacoustic propagation medium 52 is exposed by breaking a part of the base 53 located on the surface side of the photoacoustic propagation medium 52. Actually, the entire surface of the photoacoustic propagation medium portion 52 may be covered with the base 53 except for a measurement through hole 53a described later. When the entire surface of the photoacoustic propagation medium portion 52 is covered except for the measurement through-hole 53a, it is possible to avoid the incidence of sound waves other than the ultrasonic waves to be detected.

図1に示すように、光音響伝搬媒質部52の表面(図1に示す光音響伝搬媒質部52の裏面、左側面、および底面等)をベース53で覆う。さらに、図1に示す光音響伝搬媒質部52の右側面を音響導波部材56で覆って、音響導波路60の一部として構成する。その結果、光音響伝搬媒質部52は、ベース53及び音響導波部材56で保持される。   As shown in FIG. 1, the surface of the photoacoustic propagation medium unit 52 (the back surface, the left side surface, and the bottom surface of the photoacoustic propagation medium unit 52 shown in FIG. 1) is covered with a base 53. Further, the right side surface of the photoacoustic propagation medium portion 52 shown in FIG. 1 is covered with an acoustic waveguide member 56 to constitute a part of the acoustic waveguide 60. As a result, the photoacoustic propagation medium portion 52 is held by the base 53 and the acoustic waveguide member 56.

図3(a)及び図3(b)に示す形状によって、音響導波部材56及びベース53を構成することができる。図3(a)は、図1に示す光学式超音波マイクロフォン51のベース53の一部を示す斜視図である。また、図3(b)は、図1に示す光学式超音波マイクロフォンの音響導波部材の一部を示す斜視図である。   The acoustic waveguide member 56 and the base 53 can be configured by the shapes shown in FIGS. 3 (a) and 3 (b). FIG. 3A is a perspective view showing a part of the base 53 of the optical ultrasonic microphone 51 shown in FIG. FIG. 3B is a perspective view showing a part of the acoustic waveguide member of the optical ultrasonic microphone shown in FIG.

図3(a)に示すように、アルミニウム部材を用いて、導波路外面62を含む音響導波路60を規定する音響導波部材56を成形する。一方、図3(b)に示すように、光音響伝搬媒質部52を保持するベース53を用意する。ベース53によって保持された光音響伝搬媒質部52の露出した面は、透過面61を規定する。   As shown in FIG. 3A, an acoustic waveguide member 56 that defines the acoustic waveguide 60 including the waveguide outer surface 62 is formed using an aluminum member. On the other hand, as shown in FIG. 3B, a base 53 for holding the photoacoustic propagation medium section 52 is prepared. The exposed surface of the photoacoustic propagation medium unit 52 held by the base 53 defines a transmission surface 61.

例えば、多孔質セラミックスからなるベース53を成形する。透過面61を規定する面がフッ素系樹脂などから構成される型にベース53をはめ込み、空間内に湿潤ゲルを導入する。その後、液体部分を液化炭酸ガスで置換し、乾燥させることにより、光音響伝搬媒質部52とベース53とが一体化した部材を得る。   For example, the base 53 made of porous ceramics is formed. The base 53 is fitted into a mold whose surface defining the transmission surface 61 is made of a fluorine resin or the like, and a wet gel is introduced into the space. Thereafter, the liquid portion is replaced with liquefied carbon dioxide and dried to obtain a member in which the photoacoustic propagation medium portion 52 and the base 53 are integrated.

図3(b)に示されるように光音響伝搬媒質部52を保持したベース53のA及びBの両端部分と、図3(a)に示す音響導波部材56のC及びDの両端部分をそれぞれ対応させて、エポキシ樹脂などの接着材などにより接合することによって、光音響伝搬媒質部52によって透過面61が規定された音響導波路60を形成する。   As shown in FIG. 3B, both end portions of A and B of the base 53 holding the photoacoustic propagation medium portion 52 and both end portions of C and D of the acoustic waveguide member 56 shown in FIG. The acoustic waveguide 60 in which the transmission surface 61 is defined by the photoacoustic propagation medium portion 52 is formed by bonding with an adhesive such as an epoxy resin in correspondence with each other.

(音響導波路60を伝搬する音波)
次に、音響導波部材56が規定する音響導波路60及び光音響伝搬媒質部52の幾何学的形状と音波の伝搬を詳細に説明する。
(Sound wave propagating through acoustic waveguide 60)
Next, the geometrical shape of the acoustic waveguide 60 and the photoacoustic propagation medium portion 52 defined by the acoustic waveguide member 56 and the propagation of sound waves will be described in detail.

図4は、光学式超音波マイクロフォン51における音響導波路60の一部を拡大した図である。図4を用いて、音波の伝搬及び屈折を説明する。   FIG. 4 is an enlarged view of a part of the acoustic waveguide 60 in the optical ultrasonic microphone 51. The propagation and refraction of sound waves will be described with reference to FIG.

図4において、透過面61及び導波路外面62を点線で示し、透過面61の任意の点における接線の垂線を一点鎖線で示している。また、音波の伝搬方向を矢印55aで示している。   In FIG. 4, the transmission surface 61 and the waveguide outer surface 62 are indicated by dotted lines, and a tangential perpendicular line at an arbitrary point of the transmission surface 61 is indicated by a one-dot chain line. Further, the propagation direction of the sound wave is indicated by an arrow 55a.

開口63から入射し、音響導波路60内を進行する音波は、音響導波路60の形状に従って進行方向を変化させながら、音響導波路60を伝搬していく。音響導波路60の内部は、環境流体14で満たされている。   A sound wave incident from the opening 63 and traveling in the acoustic waveguide 60 propagates through the acoustic waveguide 60 while changing the traveling direction according to the shape of the acoustic waveguide 60. The inside of the acoustic waveguide 60 is filled with the environmental fluid 14.

音響導波路60と光音響伝搬媒質部52との界面である透過面61へ接触する音波の成分は、透過面61の法線に対して角度θaで透過面61に入射し、スネルの法則を満足するように、透過面61の法線と一定の角度θnをもって光音響伝搬媒質部52へ屈折透過していく。   The component of the sound wave that contacts the transmission surface 61 that is the interface between the acoustic waveguide 60 and the photoacoustic propagation medium 52 is incident on the transmission surface 61 at an angle θa with respect to the normal of the transmission surface 61, and Snell's law is obtained. In order to be satisfied, the light is refracted and transmitted to the photoacoustic propagation medium unit 52 at a certain angle θn with the normal line of the transmission surface 61.

光音響伝搬媒質部52の内部における音波の伝搬方向の角度θnは、数1で示される。ここで、(Cn/Ca)<1の関係を満たすとき、数1によって求められる角度θnは正の値となり、光音響伝搬媒質部52内に音波が屈折透過する。   The angle θn in the propagation direction of the sound wave inside the photoacoustic propagation medium portion 52 is expressed by Equation 1. Here, when the relationship of (Cn / Ca) <1 is satisfied, the angle θn obtained by Equation 1 is a positive value, and the sound wave is refracted and transmitted into the photoacoustic propagation medium portion 52.

Figure 2011211311
Figure 2011211311

数1において、伝搬媒質における音波の速度をCn、環境流体14における音波の音速をCa、伝搬媒質の密度をρn、環境流体14の密度をρaである。   In Equation 1, the velocity of the sound wave in the propagation medium is Cn, the sound velocity of the sound wave in the environmental fluid 14 is Ca, the density of the propagation medium is ρn, and the density of the environmental fluid 14 is ρa.

一方、音響導波路60と光音響伝搬媒質部52との界面における反射率Rは、数2で示される。   On the other hand, the reflectance R at the interface between the acoustic waveguide 60 and the photoacoustic propagation medium portion 52 is expressed by Equation 2.

Figure 2011211311
Figure 2011211311

音響導波路60から光音響伝搬媒質部52へできるだけ高効率で音波を屈折透過させるためには、反射率Rは小さいほうが好ましい。Cn、Ca、ρn、ρaが(ρn/ρa)<(Ca/Cn)<1を満たす場合、数2の分子がゼロとなる角度θa、θnが必ず存在する。つまり、反射率Rがゼロにすることができる。 In order to refract and transmit sound waves from the acoustic waveguide 60 to the photoacoustic propagation medium unit 52 as efficiently as possible, the reflectance R is preferably small. When Cn, Ca, ρn, and ρa satisfy (ρ n / ρ a ) <(C a / C n ) <1, there are always angles θa and θn at which the numerator of Equation 2 becomes zero. That is, the reflectance R can be made zero.

第1実施形態では、上述のとおり、シリカ乾燥ゲルの密度ρnは、200kg/m3であり、シリカ乾燥ゲルにおける音速Cnは、150m/sであり、空気の密度ρaは、1.12kg/m3であり、音速Caは、室温付近で340m/sである。 In the first embodiment, as described above, the density ρn of the silica dry gel is 200 kg / m 3 , the sound velocity Cn in the silica dry gel is 150 m / s, and the air density ρa is 1.12 kg / m. 3 and the sound velocity Ca is 340 m / s near room temperature.

これらの値を数1に代入すると、角度θnは約26度となる。このとき、角度θaが約89度であれば、反射率Rはほぼゼロとなる。よって、第1実施形態の条件においては、透過面61の法線に対して、約89度で透過面61に音波が入射することによって、角度θnが約26度となる方向へ、音波は高い透過効率で光音響伝搬媒質部52の内部へと透過していく。   Substituting these values into Equation 1, the angle θn is about 26 degrees. At this time, if the angle θa is about 89 degrees, the reflectance R is almost zero. Therefore, under the conditions of the first embodiment, the sound wave is high in the direction in which the angle θn is about 26 degrees when the sound wave enters the transmission surface 61 at about 89 degrees with respect to the normal line of the transmission surface 61. The light is transmitted into the photoacoustic propagation medium portion 52 with transmission efficiency.

反射率Rがほぼゼロとなる場合、屈折角度θnは約26度の一定となるが、透過面61を曲面にすることによって、透過面61の異なる位置から光音響伝搬媒質部52へ透過した音波を所定の音響焦点57に向かって伝搬させ、音波を収束させることができる。   When the reflectance R is substantially zero, the refraction angle θn is constant at about 26 degrees. However, by making the transmission surface 61 a curved surface, the sound wave transmitted from a different position of the transmission surface 61 to the photoacoustic propagation medium unit 52. Can be propagated toward the predetermined acoustic focal point 57 to converge the sound wave.

また、透過面61に沿って音響導波路60を屈曲させることによって、音波が音響導波路60を伝搬するに従って、音波の一部を常に一定の角度θaで透過面61に入射させることができる。この現象を利用して、音響導波路60を伝搬する音波を少しずつ光音響伝搬媒質部52へ屈折透過させ、光音響伝搬媒質部52内の一点に音波を収束させることによって、高い受波感度を実現する。   Further, by bending the acoustic waveguide 60 along the transmission surface 61, a part of the sound wave can be always incident on the transmission surface 61 at a constant angle θa as the sound wave propagates through the acoustic waveguide 60. By utilizing this phenomenon, the sound wave propagating through the acoustic waveguide 60 is gradually refracted and transmitted to the photoacoustic propagation medium unit 52, and the sound wave is converged to one point in the photoacoustic propagation medium unit 52. Is realized.

また、数1で示される屈折角度θn及び数2で示される反射率Rは、音波の周波数に依存しない。よって、伝搬する音波の周波数に関わらず、音波を高い透過効率で光音響伝搬媒質部52へ透過させることができる。従って、第1実施形態の光学式超音波マイクロフォン51は、広帯域の音波を高い感度で検出することが可能である。すなわち、第1実施形態によれば、従来では困難であった高い周波領域でかつ広帯域な超音波の受波が高い感度で可能となり、100kHz以上の実効的な帯域及び高い感度を持つ標準マイクロフォンが実現できることになる。   Further, the refraction angle θn expressed by Equation 1 and the reflectance R expressed by Equation 2 do not depend on the frequency of the sound wave. Therefore, regardless of the frequency of the propagating sound wave, the sound wave can be transmitted to the photoacoustic propagation medium unit 52 with high transmission efficiency. Therefore, the optical ultrasonic microphone 51 of the first embodiment can detect broadband sound waves with high sensitivity. In other words, according to the first embodiment, it is possible to receive ultrasonic waves in a high frequency region and in a wide band, which has been difficult in the past, with high sensitivity, and a standard microphone having an effective band of 100 kHz or more and high sensitivity can be obtained. It can be realized.

なお、光学レンズの分野において、例えば、日本特許第2731389号は、光導波路の側面から放出される光を収束させる構造を開示している。しかし、一般に光導波路では、クラッド層と導波路との境界で光が反射を繰り返しながら伝搬するのに対し、本第1実施形態の音響導波路60では音波は音響導波路60の外面や側面で反射しない。このため、光導波路では伝搬する光の位相が揃っていないのに対して、第1実施形態では位相の揃った音波を伝搬させることが重要である。   In the field of optical lenses, for example, Japanese Patent No. 2731389 discloses a structure for converging light emitted from the side surface of an optical waveguide. However, in general, in an optical waveguide, light propagates while being repeatedly reflected at the boundary between the cladding layer and the waveguide, whereas in the acoustic waveguide 60 of the first embodiment, sound waves are transmitted on the outer surface and side surfaces of the acoustic waveguide 60. Does not reflect. For this reason, in the first embodiment, it is important to propagate sound waves having the same phase, whereas the phase of the propagating light is not uniform in the optical waveguide.

(透過面61及び導波路外面62の形状)
次に、音響導波路60を規定する透過面61及び導波路外面62の形状の設計を説明する。透過面61及び導波路外面62の形状は、次のようなステップで設計される。
(Shapes of transmission surface 61 and waveguide outer surface 62)
Next, the design of the shape of the transmission surface 61 and the waveguide outer surface 62 that define the acoustic waveguide 60 will be described. The shapes of the transmission surface 61 and the waveguide outer surface 62 are designed in the following steps.

まず、音響導波路60の開口部63の大きさから、音波を効率良く光音響伝搬媒質部52に取り込める音響導波路60の長さが決定される。音響導波路60の長さより、透過面61が音波を収束する形状として設計される。その後、決定した透過面61の形状と音響導波路60に必要な幅を考慮して、透過面61の形状が設計される。   First, from the size of the opening 63 of the acoustic waveguide 60, the length of the acoustic waveguide 60 that allows the sound wave to be efficiently taken into the photoacoustic propagation medium 52 is determined. From the length of the acoustic waveguide 60, the transmission surface 61 is designed as a shape that converges sound waves. Thereafter, the shape of the transmission surface 61 is designed in consideration of the determined shape of the transmission surface 61 and the width required for the acoustic waveguide 60.

音響導波路60の開口部63の大きさは、受波する音波の波長の1/2以下であることが好ましい。導波路の幅が伝搬する音波の波長の1/2よりも大きい場合、音響導波路60の内部で音波が反射し易くなり、音波の伝搬を乱し、正確な音波の測定が困難になるからである。   The size of the opening 63 of the acoustic waveguide 60 is preferably less than or equal to ½ of the wavelength of the sound wave to be received. When the width of the waveguide is larger than ½ of the wavelength of the propagating sound wave, the sound wave is likely to be reflected inside the acoustic waveguide 60, and the propagation of the sound wave is disturbed, making it difficult to accurately measure the sound wave. It is.

第1実施形態においては、一例として、周波数80kHzまでの音波の受波を考慮しているため、周波数80kHzの1/2波長である2.1mmより小さい2.0mmとし、開口部63は一辺が2.0mmの正方形状を有している。収束部77の端部72は、開口部63と等しいサイズに設計されている。   In the first embodiment, as an example, since reception of sound waves up to a frequency of 80 kHz is considered, the opening 63 is set to 2.0 mm which is smaller than 2.1 mm which is a half wavelength of the frequency of 80 kHz. It has a square shape of 2.0 mm. The end portion 72 of the converging portion 77 is designed to be the same size as the opening 63.

音響導波路60の長さが大きいほど、音響導波路60から光音響伝搬媒質52に伝搬する音波が多くなる。よって、音響導波路60内を伝搬する音波が、光音響伝搬媒質部52に屈折透過していくように、十分な長さを備えていることが好ましい。   The longer the acoustic waveguide 60 is, the more sound waves propagate from the acoustic waveguide 60 to the photoacoustic propagation medium 52. Therefore, it is preferable that the sound wave propagating in the acoustic waveguide 60 has a sufficient length so as to be refracted and transmitted to the photoacoustic propagation medium unit 52.

図21を参照して説明したように、超音波受波器101において、長さL3の範囲を伝搬してきた音波が第2表面領域112を介して伝搬媒質部103の内部へと透過していく。図21の長さL3及び長さL5は、図5に示す音響導波路60のYZ平面における開口部63のZ方向の長さ及び透過面61のYZ平面における長さに対応している。透過面61のYZ平面における長さ、つまり、音響導波路60における音波の伝搬方向g6の長さが十分に長くすることで、音波を十分に光音響伝搬媒質部52へ透過させることができ、受波感度の向上、又は取り込めなかった音波の反射の影響などを低減することができ、測定精度が向上させることができる
第1実施形態においては、環境流体14中における光音響伝搬媒質部52の法線と、音波伝搬方向55aのなす角度であるθa(図4)が、約89.3度であるため、長さL2と長さL1の比は、約L1/L2=88となる。このため、理想的には開口部63の約90倍以上の長さを音響導波路60が有していることが好ましい。本第1実施形態では、音響導波路60の開口部63が2mmであり、音響導波路60の長さを開口部63の100倍となる200mmに設定している。
As described with reference to FIG. 21, in the ultrasonic receiver 101, the sound wave that has propagated through the range of the length L <b> 3 is transmitted through the second surface region 112 into the propagation medium unit 103. . The length L3 and the length L5 in FIG. 21 correspond to the length in the Z direction of the opening 63 in the YZ plane of the acoustic waveguide 60 shown in FIG. 5 and the length in the YZ plane of the transmission surface 61. By sufficiently increasing the length of the transmission surface 61 in the YZ plane, that is, the length of the sound wave propagation direction g6 in the acoustic waveguide 60, the sound wave can be sufficiently transmitted to the photoacoustic propagation medium 52, In the first embodiment, it is possible to improve the receiving sensitivity, reduce the influence of reflection of sound waves that could not be captured, and improve the measurement accuracy. In the first embodiment, the photoacoustic propagation medium 52 in the environmental fluid 14 Since θa (FIG. 4) formed by the normal line and the sound wave propagation direction 55a is approximately 89.3 degrees, the ratio of the length L2 to the length L1 is approximately L1 / L2 = 88. Therefore, ideally, the acoustic waveguide 60 preferably has a length of about 90 times or more than the opening 63. In the first embodiment, the opening 63 of the acoustic waveguide 60 is 2 mm, and the length of the acoustic waveguide 60 is set to 200 mm, which is 100 times the opening 63.

このように、開口部63及び音響導波路60の長さが決定される。音響導波路60の長さに基づいて透過面61の形状および導波路外面の形状が設計される。
(音波の収束)
図5は、音響導波路60と光音響伝搬媒質部52とを拡大した図である。図5を用いて、第1実施形態における光学式超音波マイクロフォン51において、音波が収束させることを説明する。
Thus, the lengths of the opening 63 and the acoustic waveguide 60 are determined. Based on the length of the acoustic waveguide 60, the shape of the transmission surface 61 and the shape of the outer surface of the waveguide are designed.
(Sound wave convergence)
FIG. 5 is an enlarged view of the acoustic waveguide 60 and the photoacoustic propagation medium portion 52. It will be described with reference to FIG. 5 that sound waves converge in the optical ultrasonic microphone 51 according to the first embodiment.

音波を収束させる音響焦点57を光音響伝搬媒質部52内に設定する。音響焦点57には、LDVヘッド8を対向させて、レーザ光58を利用してLDVヘッド8及びLDV演算処理部9で音波を検出するようにしている。   An acoustic focal point 57 for converging the sound wave is set in the photoacoustic propagation medium unit 52. The LDV head 8 is opposed to the acoustic focal point 57, and a sound wave is detected by the LDV head 8 and the LDV arithmetic processing unit 9 using laser light 58.

図5において、透過面61の開口部63における点を始点P0とし、透過面61の開口部63に近い方から順に点P1、P2、P3、・・・・、Pnとする。また、点P0から点P1までの距離をLa1、点P1から点P2までの距離をLa2、・・・、点Pn−1から点Pnまでの距離をLanとする。さらに、点P1、P2、・・・・Pnと音響焦点57との距離を、それぞれLn1、Ln2、・・・・、Lnnとする。   5, a point at the opening 63 of the transmission surface 61 is set as a starting point P0, and points P1, P2, P3,. Further, the distance from the point P0 to the point P1 is La1, the distance from the point P1 to the point P2 is La2,..., And the distance from the point Pn-1 to the point Pn is Lan. Further, the distances between the points P1, P2,... Pn and the acoustic focal point 57 are Ln1, Ln2,.

開口部63から入射し、音響導波路60内を伝搬し、さらに光音響伝搬媒質部52へ屈折透過した音波が、音響焦点57で集束するためには、以下の数3を満たすことが必要である。   In order for the sound wave incident from the opening 63, propagating through the acoustic waveguide 60, and refracted and transmitted to the photoacoustic propagation medium 52 to be focused by the acoustic focal point 57, it is necessary to satisfy the following equation (3). is there.

Figure 2011211311
Figure 2011211311

光音響伝搬媒質部52内の音響焦点57に音波が集束するということは、音響焦点57において音波の位相が揃うということを意味している。すなわち、開口部63から音響焦点57までの音波の到達時間が、どの経路を通った場合も同一であることを意味する。   The fact that the sound wave is focused on the acoustic focal point 57 in the photoacoustic propagation medium unit 52 means that the phase of the acoustic wave is aligned at the acoustic focal point 57. That is, it means that the arrival time of the sound wave from the opening 63 to the acoustic focal point 57 is the same in any route.

具体的には、数3において、最も左の等号の左辺(La1/Ca)+(Ln1/Cn)は、音波が環境流体14中を距離La1だけ伝搬し、光音響伝搬媒質部52中を距離Ln1だけ伝搬することによって、音響焦点57に到達するまでの時間を示している。また、最も左の等号の右辺である{(La1+La2)/Ca}+(Ln2/Cn)は、音波が環境流体14中を距離(La1+La2)だけ伝搬し、光音響伝搬媒質部52中を距離Ln2だけ伝搬することによって、音響焦点57に到達するまでの時間を示している。   Specifically, in Equation 3, the left side of the leftmost equal sign (La1 / Ca) + (Ln1 / Cn) propagates the sound wave through the environmental fluid 14 by the distance La1, and passes through the photoacoustic propagation medium unit 52. The time until the acoustic focal point 57 is reached by propagating by the distance Ln1 is shown. Further, {(La1 + La2) / Ca} + (Ln2 / Cn), which is the right side of the leftmost equal sign, propagates the sound wave through the environmental fluid 14 by a distance (La1 + La2) and travels through the photoacoustic propagation medium portion 52. The time until reaching the acoustic focal point 57 is shown by propagating by Ln2.

同様の手順により、各点Pkにおいて、音響導波路60から光音響伝搬媒質部52へ透過した音波が音響焦点57に到達するまでの時間を、求めることができる。   By the same procedure, the time until the sound wave transmitted from the acoustic waveguide 60 to the photoacoustic propagation medium unit 52 reaches the acoustic focal point 57 at each point Pk can be obtained.

数3を一般化し、音響導波路60の開口部63から、透過面61上の音波の伝搬方向に沿った任意の点Pkまでの導波路の距離をLakとし、点Pkから、光音響伝搬媒質部52中の、点Pkとは異なる音響焦点F(57)までの距離をLnkとしたとき、数3は、1からnまでの任意のkに対して、(Lak/Ca)+(Lnk/Cn)が一定である条件として表される。   Equation 3 is generalized, and the distance of the waveguide from the opening 63 of the acoustic waveguide 60 to an arbitrary point Pk along the propagation direction of the sound wave on the transmission surface 61 is Lak, and from the point Pk, the photoacoustic propagation medium When the distance to the acoustic focal point F (57) that is different from the point Pk in the part 52 is Lnk, Equation (3) is (Lak / Ca) + (Lnk / Cn) is expressed as a constant condition.

(Lak/Ca)+(Lnk/Cn)が一定とは、上述したように、透過面61の任意の位置における開口部63から音響焦点57までの所要時間が、どの点を取っても一定であることを示している。言い換えれば、(Lak/Ca)+(Lnk/Cn)が一定を満たすことにより、光音響伝搬媒質部52内に取り込まれた音波は、音波音響焦点57に収束することを意味している。図1における構成において、光音響伝搬媒質部52の音響導波路60側の形状は、(Lak/Ca)+(Lnk/Cn)が一定を満たしている。   (Lak / Ca) + (Lnk / Cn) is constant, as described above, the time required from the opening 63 to the acoustic focus 57 at an arbitrary position of the transmission surface 61 is constant at any point. It shows that there is. In other words, when (Lak / Ca) + (Lnk / Cn) satisfies a certain value, it means that the sound wave taken into the photoacoustic propagation medium unit 52 converges on the sonoacoustic focus 57. In the configuration in FIG. 1, (Lak / Ca) + (Lnk / Cn) satisfies the constant shape of the photoacoustic propagation medium portion 52 on the acoustic waveguide 60 side.

図5は、(Lak/Ca)+(Lnk/Cn)が一定であることを説明する図である。音響導波路の開口部63を始点として、光音響伝搬媒質部52の音響導波路60の透過面61の任意の点からシリカ乾燥ゲルで構成された光音響伝搬媒質部52内に進入した音波であっても、(Lak/Ca)+(Lnk/Cn)が一定を満たす透過面61であれば、音響焦点57に収束する。これは、光音響伝搬媒質部52内で、音響焦点57を中心とした円筒形(部分円筒形)の波面を構成する形状になっているためである。   FIG. 5 is a diagram for explaining that (Lak / Ca) + (Lnk / Cn) is constant. A sound wave that has entered the photoacoustic propagation medium unit 52 made of silica-dried gel from an arbitrary point on the transmission surface 61 of the acoustic waveguide 60 of the photoacoustic propagation medium unit 52, starting from the opening 63 of the acoustic waveguide. Even if there is a transmission surface 61 that satisfies (Lak / Ca) + (Lnk / Cn), it converges on the acoustic focal point 57. This is because the photoacoustic propagation medium portion 52 has a shape constituting a cylindrical (partial cylindrical) wavefront centered on the acoustic focal point 57.

なお、厳密には、音響導波路60を伝搬する音波の伝搬距離は、音響導波路60の中央の経路を用いて算出するのが、より正確であると思われる。しかし、以下で説明するように音響導波路60の幅寸法は、その長さに比べて十分小さい。このため、上述の近似で実用的には十分な精度を有している。   Strictly speaking, it seems that it is more accurate to calculate the propagation distance of the sound wave propagating through the acoustic waveguide 60 using the central path of the acoustic waveguide 60. However, as will be described below, the width dimension of the acoustic waveguide 60 is sufficiently smaller than its length. For this reason, the above approximation has sufficient accuracy for practical use.

(光源及び検出部)
図1では、便宜上、空中におけるレーザ光58の伝搬経路のみを記載している。音響焦点57に収束させた超音波を検出する検出部を説明する。図1において、光源はLDVヘッド8で構成され、検出部はLDV演算処理部9で構成されている。
(Light source and detector)
In FIG. 1, only the propagation path of the laser beam 58 in the air is shown for convenience. A detection unit that detects ultrasonic waves converged on the acoustic focal point 57 will be described. In FIG. 1, the light source is configured by an LDV head 8, and the detection unit is configured by an LDV arithmetic processing unit 9.

音響焦点57に音波を収束させることによって、振幅の大きな粗密波の定在波が生成される。その結果、音響焦点57には収束部77で受信した音響信号の音圧に依存した屈折率の変動が生じる。   By converging the sound wave at the acoustic focal point 57, a standing wave having a large amplitude and density is generated. As a result, the refractive index varies depending on the sound pressure of the acoustic signal received by the converging unit 77 at the acoustic focal point 57.

LDVヘッド8は、レーザ光58を伝搬媒質部52に向かって出射(発射)する。また、LDVヘッド8は、出射された後に、伝搬媒質部52を伝搬し、反射したレーザ光58を受光する。LDV演算処理部9は、受光されたレーザ光58を電気信号への変換および信号処理がなされる。   The LDV head 8 emits (emits) laser light 58 toward the propagation medium unit 52. Further, after being emitted, the LDV head 8 propagates through the propagation medium portion 52 and receives the reflected laser light 58. The LDV arithmetic processing unit 9 converts the received laser beam 58 into an electrical signal and performs signal processing.

LDVヘッド8から出射したレーザ光58は、屈折率の変動の速度に応じたドプラー周波数だけ周波数変調を受ける。その変調周波数は自己ヘテロダイン検波などの検波方法によりLDV演算処理部9で検出する。   The laser beam 58 emitted from the LDV head 8 is subjected to frequency modulation by the Doppler frequency corresponding to the rate of change of the refractive index. The modulation frequency is detected by the LDV arithmetic processing unit 9 by a detection method such as self-heterodyne detection.

例えば、レーザ光58を発射した方向における光音響伝搬媒質部52の厚み情報及び検出部と計測用貫通穴53aの距離の2倍と、検出部から出射したレーザ光58の速度を用いて、レーザ光58を出射してからその反射波を受信するまでの時間を予め求めておく。その求めた時間と実際に計測した時間との差異から、レーザ光58の周波数変調の量がわかる。その周波数変調の量から音波の音圧を求めることができる。   For example, using the thickness information of the photoacoustic propagation medium 52 in the direction in which the laser beam 58 is emitted, twice the distance between the detector and the measurement through hole 53a, and the velocity of the laser beam 58 emitted from the detector, the laser is used. The time from when the light 58 is emitted until the reflected wave is received is obtained in advance. From the difference between the obtained time and the actually measured time, the amount of frequency modulation of the laser beam 58 is known. The sound pressure of the sound wave can be obtained from the amount of the frequency modulation.

第1実施形態にかかる光学式超音波マイクロフォン51は、気体などの音響インピーダンスの極めて小さい環境流体14から固体へ高い効率で音波を伝搬させ、固体に透過した音波を固体内部で収束させることによって音波のエネルギー密度を高めることができる。これにより、音波を高感度で受信することができる。   The optical ultrasonic microphone 51 according to the first embodiment propagates a sound wave from an environmental fluid 14 having a very small acoustic impedance such as a gas to a solid with high efficiency and converges the sound wave transmitted through the solid inside the solid. The energy density can be increased. Thereby, a sound wave can be received with high sensitivity.

(実験結果)
図6〜図11に、第1実施形態の光学式超音波マイクロフォン51の音響導波路60を伝搬する音波が光音響伝搬媒質部52へ透過し、音響焦点57に収束する過程を計算実験により求めた結果を示す。図6〜図11は、図1に示す光学式超音波マイクロフォンにおける音波伝搬に対する計算実験結果を示す音圧分布図である。図6〜図11では、音波の位置や位相を分かりやすく表示するため、光学式超音波マイクロフォン51の音響導波路60と光音響伝搬媒質部52のみを示している。
(Experimental result)
6 to 11, a process in which a sound wave propagating through the acoustic waveguide 60 of the optical ultrasonic microphone 51 of the first embodiment is transmitted to the photoacoustic propagation medium unit 52 and converges to the acoustic focal point 57 is obtained by a calculation experiment. The results are shown. 6 to 11 are sound pressure distribution diagrams showing calculation experiment results for sound wave propagation in the optical ultrasonic microphone shown in FIG. FIGS. 6 to 11 show only the acoustic waveguide 60 and the photoacoustic propagation medium 52 of the optical ultrasonic microphone 51 in order to display the position and phase of the sound wave in an easy-to-understand manner.

図6〜図11は、音波が伝搬する様子を、時間を追って示している。図6が時間的に一番早く、図11が一番遅い状態を示している。図6〜図11に示す音響導波路60を規定する透過面61及び導波路外面62は、上述した手順によって、音響焦点57に音響導波路60を伝搬する音波が収束するように設計されている。音響導波路60の開口部63は上方に位置し、閉塞した終端は下方に位置している。音響導波路60内は環境流体14、ここでは空気で満たされている。   6 to 11 show how the sound wave propagates over time. FIG. 6 shows the fastest time and FIG. 11 shows the slowest state. The transmission surface 61 and the waveguide outer surface 62 that define the acoustic waveguide 60 shown in FIGS. 6 to 11 are designed so that the sound wave propagating through the acoustic waveguide 60 converges on the acoustic focal point 57 by the procedure described above. . The opening 63 of the acoustic waveguide 60 is located above, and the closed end is located below. The acoustic waveguide 60 is filled with the environmental fluid 14, here air.

図12に、図6〜図11に示す実験に用いた入力音波信号の時間波形を示す。具体的には、開口部63から入射させる音波の波形を示している。音波の中心周波数は約40kHzであり、音波は約5波長分の長さを有している。   FIG. 12 shows the time waveform of the input sound wave signal used in the experiments shown in FIGS. Specifically, the waveform of the sound wave incident from the opening 63 is shown. The center frequency of the sound wave is about 40 kHz, and the sound wave has a length of about 5 wavelengths.

図6〜図11において、光音響伝搬媒質部52の内部及び音響導波路60の内部の音波の音圧レベルを色の濃淡で示している。色の濃い部分(黒)は大気圧より高い音圧を示しており、色の薄い部分(白)は大気圧より低い音圧を示している。同じ色、例えば黒と黒、あるいは白と白との間が40kHzを示し、つまり、音波の1波長に相当する。   6 to 11, the sound pressure levels of the sound waves inside the photoacoustic propagation medium unit 52 and inside the acoustic waveguide 60 are shown in shades of color. The dark part (black) indicates a sound pressure higher than atmospheric pressure, and the lighter part (white) indicates a sound pressure lower than atmospheric pressure. The same color, for example, between black and black or between white and white indicates 40 kHz, that is, corresponds to one wavelength of the sound wave.

図6〜図11において、音響導波路60が非常に狭いため確認が困難であるが、音響導波路60の内部においては、空気の音速が340m/sであることから、同じ色の間の距離、すなわち、1波長の距離は約8.5mmとなる。   6 to 11, it is difficult to confirm because the acoustic waveguide 60 is very narrow. However, in the acoustic waveguide 60, since the speed of sound of air is 340 m / s, the distance between the same colors. That is, the distance of one wavelength is about 8.5 mm.

一方、光音響伝搬媒質部52の内部においては、光音響伝搬媒質部52を構成する乾燥ゲルの音速が150m/sであることから、同色の間の距離、すなわち、1波長の距離は約3.75mmとなる。   On the other hand, in the inside of the photoacoustic propagation medium part 52, since the sound speed of the dry gel constituting the photoacoustic propagation medium part 52 is 150 m / s, the distance between the same colors, that is, the distance of one wavelength is about 3 .75 mm.

図6は、開口部63より音波の3波長分が音響導波路60に伝搬し、4波目の振幅の山が開口部63より音響導波路60の内部へと伝搬した瞬間を示している。音波の音響導波路60の内部に伝搬した部分は、音響導波路60と接している透過面61から光音響伝搬媒質部52へ伝搬している。光音響伝搬媒質部52の内部に濃淡で示されている部分は透過面61から光音響伝搬媒質部52に屈折透過した音波の成分である。   FIG. 6 shows the moment when three wavelengths of sound waves propagate from the opening 63 to the acoustic waveguide 60 and the peak of the fourth wave amplitude propagates from the opening 63 into the acoustic waveguide 60. The portion of the sound wave that has propagated inside the acoustic waveguide 60 propagates from the transmission surface 61 in contact with the acoustic waveguide 60 to the photoacoustic propagation medium portion 52. A portion indicated by shading inside the photoacoustic propagation medium portion 52 is a component of a sound wave that is refracted and transmitted from the transmission surface 61 to the photoacoustic propagation medium portion 52.

図7は、図6に示す状態から時間的に少し進んだ状態を示している。音響導波路60の内部では、音波が音響導波路60の形状に沿って伝搬している。また、音響導波路60の内部を伝搬する音波が、徐々に光音響伝搬媒質部52に屈折透過し、光音響伝搬媒質部52内部を伝搬していく状態を示している。図6及び図7に示されるように、音響導波路60を伝搬する音波の方が、光音響伝搬媒質部52を伝搬する音波に比べて、開口部63からより長い距離を伝搬している。これは、音響導波路60の環境流体14である空気の音速のほうが、伝搬媒質である乾燥ゲルの音速に比べて速いことを示している。   FIG. 7 shows a state slightly advanced in time from the state shown in FIG. Inside the acoustic waveguide 60, sound waves propagate along the shape of the acoustic waveguide 60. Further, a state is shown in which a sound wave propagating in the acoustic waveguide 60 is gradually refracted and transmitted to the photoacoustic propagation medium unit 52 and propagates in the photoacoustic propagation medium unit 52. As shown in FIGS. 6 and 7, the sound wave propagating through the acoustic waveguide 60 propagates a longer distance from the opening 63 than the sound wave propagating through the photoacoustic propagation medium unit 52. This indicates that the speed of sound of the air that is the environmental fluid 14 of the acoustic waveguide 60 is faster than the speed of sound of the dry gel that is the propagation medium.

図8も同様に、音波の一部が音響導波路60を伝搬するにつれて、光音響伝搬媒質部52に屈折透過し、光音響伝搬媒質部52内部を音波が伝搬していく様子を示している。屈折透過のため、透過面61において黒と白の濃淡で示されるパターンは折り曲がっているが、光音響伝搬媒質部52内においては、黒と白の濃淡で示されるパターンは、きれいな曲線を描きつつある。これは、光音響伝搬媒質部52内を伝搬する音波の位相が揃っていることを示している。   Similarly, FIG. 8 shows a state in which a part of the sound wave is refracted and transmitted to the photoacoustic propagation medium unit 52 and the sound wave propagates through the photoacoustic propagation medium unit 52 as the sound wave propagates through the acoustic waveguide 60. . Due to refractive transmission, the pattern indicated by black and white shading on the transmission surface 61 is bent, but in the photoacoustic propagation medium section 52, the pattern indicated by black and white shading draws a beautiful curve. It's getting on. This indicates that the phases of sound waves propagating in the photoacoustic propagation medium section 52 are aligned.

図9は、音響導波路60のほぼ終端近傍を伝搬する音波と、光音響伝搬媒質部52の内部で音響焦点57に向けて徐々に収束しつつある音波の様子を示している。   FIG. 9 shows a state of a sound wave propagating substantially near the end of the acoustic waveguide 60 and a sound wave gradually converging toward the acoustic focal point 57 inside the photoacoustic propagation medium portion 52.

図10は、さらに音波の伝搬が進行し、音響導波路60の内部を伝搬する音波が導波路終端に達し、全て光音響伝搬媒質部52の内部に屈折透過し、光音響伝搬媒質部52の内部を伝搬する音波は、さらに音響焦点57に向かって収束しつつある様子を示している。   In FIG. 10, the propagation of the sound wave further progresses, and the sound wave propagating inside the acoustic waveguide 60 reaches the end of the waveguide, and is all refracted and transmitted inside the photoacoustic propagation medium unit 52. The sound wave propagating through the interior is further converged toward the acoustic focal point 57.

図11は、光音響伝搬媒質部52の内部を伝搬した音波の最初の波面が、音響焦点57に到達している。図6Fに示されるように、黒の濃淡がより濃くなっている、これは、音響焦点57において、音波が収束し、音圧が高められていることを示している。   In FIG. 11, the first wavefront of the sound wave that has propagated inside the photoacoustic propagation medium unit 52 reaches the acoustic focal point 57. As shown in FIG. 6F, the shades of black are darker, which indicates that the sound wave is converged and the sound pressure is increased at the acoustic focus 57.

図6〜図11では具体的な数値は示していないが、実験結果から、音響導波路60の内部における大気圧からの音波による音圧の変化が約4Paである場合、音響焦点57付近における大気圧からの音圧の変化は約34Paであることが分った。これは、音波の音圧が8倍以上に高められたことを示しており、第1実施形態によれば、高い感度で環境流体中の音波を観測することができることが明らかとなった。   Although specific numerical values are not shown in FIG. 6 to FIG. 11, when the change in the sound pressure due to the sound wave from the atmospheric pressure inside the acoustic waveguide 60 is about 4 Pa, it is found from the experimental results that a large value near the acoustic focal point 57 is obtained. It was found that the change in sound pressure from atmospheric pressure was about 34 Pa. This indicates that the sound pressure of the sound wave has been increased by 8 times or more, and according to the first embodiment, it has become clear that the sound wave in the environmental fluid can be observed with high sensitivity.

このように第1実施形態によれば、音波を屈折させて環境流体14から光音響伝搬媒質部52に透過させることによって、音響インピーダンスの異なる界面での音波の反射を抑制し、高い効率で音波を光音響伝搬媒質部52に透過させることができる。   As described above, according to the first embodiment, the sound wave is refracted and transmitted from the environmental fluid 14 to the photoacoustic propagation medium unit 52, thereby suppressing the reflection of the sound wave at the interface having different acoustic impedance, and the sound wave with high efficiency. Can be transmitted through the photoacoustic propagation medium section 52.

また、環境流体14で満たされた音響導波路60の一面を構成するように光音響伝搬媒質部52を配置し、音響導波路60を伝搬するに従って、音波の一部が光音響伝搬媒質部52へ透過し、かつ所定の音響焦点57に収束するように、音響導波路60と接している面の形状を設計することにより、少しずつ光音響伝搬媒質部52へ透過した音波の位相を一致させて音響焦点57に収束させることができる。従って、音響導波路60の開口部63から入射した音波の大部分を利用して音波を収束させることができ、受波した音波の音圧を高めることができる。これにより、高い感度で音波を検出することができる。   Further, the photoacoustic propagation medium portion 52 is arranged so as to constitute one surface of the acoustic waveguide 60 filled with the environmental fluid 14, and a part of the sound wave is propagated through the acoustic waveguide 60. By designing the shape of the surface that is in contact with the acoustic waveguide 60 so as to pass through and to converge to the predetermined acoustic focal point 57, the phase of the sound wave transmitted to the photoacoustic propagation medium 52 is gradually matched. Can be converged to the acoustic focal point 57. Therefore, the sound wave can be converged using most of the sound wave incident from the opening 63 of the acoustic waveguide 60, and the sound pressure of the received sound wave can be increased. Thereby, a sound wave can be detected with high sensitivity.

なお、第1実施形態の光学式超音波マイクロフォン51では、音響導波路60の終端は閉塞しているが、その終端を開放してもよい。図13は、第1実施形態の変形例にかかる光学式超音波マイクロフォン51Aの概略装置構成を示す断面図である。図13に示された光学式超音波マイクロフォン51Aでは、音響導波路60の導波路終端64Aが開放されている。音響導波路60を伝搬する音波のエネルギーが比較的高く、全てのエネルギーを取り込む必要が無い場合は、音響導波路60を伝搬する音波のうち光音響伝搬媒質部52へ透過しなかった部分が終端で反射して悪影響を与えないように、音響導波路60から除去することが好ましい。音波受波器103によれば、音響導波路60の終端64が開放されているため、光音響伝搬媒質部52へ透過しなかった音波を除去することができる。これにより、受波した音波が乱れることなく、目的の音波を正確に検出できる。この場合音響導波路60の長さは上述したように開口部との関係で定められる好ましい長さよりも短くてもよい。   In the optical ultrasonic microphone 51 of the first embodiment, the end of the acoustic waveguide 60 is closed, but the end may be opened. FIG. 13 is a cross-sectional view showing a schematic device configuration of an optical ultrasonic microphone 51A according to a modification of the first embodiment. In the optical ultrasonic microphone 51A shown in FIG. 13, the waveguide terminal end 64A of the acoustic waveguide 60 is opened. When the energy of the sound wave propagating through the acoustic waveguide 60 is relatively high and it is not necessary to capture all the energy, the portion of the sound wave propagating through the acoustic waveguide 60 that has not been transmitted to the photoacoustic propagation medium 52 is terminated. It is preferably removed from the acoustic waveguide 60 so as not to be adversely affected by reflection. According to the acoustic wave receiver 103, since the terminal end 64 of the acoustic waveguide 60 is open, it is possible to remove acoustic waves that have not been transmitted to the photoacoustic propagation medium unit 52. Thereby, the target sound wave can be accurately detected without disturbing the received sound wave. In this case, the length of the acoustic waveguide 60 may be shorter than a preferable length determined in relation to the opening as described above.

図14は、本発明第1実施形態における光学式超音波マイクロフォンの光音響伝搬媒質部の音波伝搬の等位相面の計測結果を示す等高線図である。図14は、光学式超音波マイクロフォン51において、シリカ乾燥ゲルで構成された光音響伝搬媒質部52の内部の音波伝搬を、LDVヘッド8で2次元走査して計測した伝搬時間の結果から、音波伝搬の等位相面(波面)902の状況を示したものである。   FIG. 14 is a contour diagram showing the measurement results of the isophase surface of the sound wave propagation of the photoacoustic propagation medium portion of the optical ultrasonic microphone according to the first embodiment of the present invention. FIG. 14 shows a result of propagation time measured by two-dimensionally scanning the sound wave propagation inside the photoacoustic propagation medium unit 52 made of silica dry gel with the LDV head 8 in the optical ultrasonic microphone 51. The situation of the equiphase surface (wavefront) 902 of propagation is shown.

ここでは、光音響伝搬媒質部52の一例として、密度270kg/m3、音速145m/sのシリカ乾燥ゲルを使用した。この場合の各点における入射角は89.5度で、屈折角は26度となる。この音速値を基に曲面を設計した。音波伝搬方向901、等位相面902はシリカ乾燥ゲル52を円筒波として音波音響焦点57に向かって伝搬していることが観察でき、理論設計どおりの動作を確認した。   Here, as an example of the photoacoustic propagation medium portion 52, a silica dry gel having a density of 270 kg / m 3 and a sound velocity of 145 m / s was used. In this case, the incident angle at each point is 89.5 degrees and the refraction angle is 26 degrees. A curved surface was designed based on this sound velocity value. It was observed that the acoustic wave propagation direction 901 and the equiphase surface 902 propagated toward the acoustic acoustic focal point 57 using the silica dry gel 52 as a cylindrical wave, and the operation according to the theoretical design was confirmed.

図15は、音波音響焦点57の付近における光学式超音波マイクロフォン51のLDV出力波形81(振幅計測波形)の一例を示す時間波形図である。図15は、計測する音波として中心周波数40kHz、駆動信号1波長で広帯域ツィータから放射した場合の結果である。   FIG. 15 is a time waveform diagram showing an example of the LDV output waveform 81 (amplitude measurement waveform) of the optical ultrasonic microphone 51 in the vicinity of the acoustic acoustic focus 57. FIG. 15 shows the result when the sound wave to be measured is radiated from the broadband tweeter at the center frequency of 40 kHz and the drive signal of one wavelength.

中心周波数40kHzを考慮して、音響導波路60の幅と初期高さ(開口部54での高さ)は共に4mmとした。光音響伝搬媒質部52として用いたシリカ乾燥ゲルの厚みも4mmである。光音響伝搬媒質部52を往復するレーザ光58の計測には、波長633nmのHe−Neレーザを使用したヘテロダイン方式のレーザドプラー振動計(LDVヘッド8)を、光源及び光検出手段の一例として用いた。   Considering the center frequency of 40 kHz, the width and initial height of the acoustic waveguide 60 (height at the opening 54) are both 4 mm. The thickness of the silica dry gel used as the photoacoustic propagation medium portion 52 is also 4 mm. For the measurement of the laser beam 58 that reciprocates in the photoacoustic propagation medium 52, a heterodyne laser Doppler vibrometer (LDV head 8) using a He—Ne laser with a wavelength of 633 nm is used as an example of a light source and a light detection means. It was.

音波による光の変調は、周波数変調である。ベース3にはアルミニウム材を用いている。He−Neレーザから照射されるレーザ光58は、シリカ乾燥ゲル52の表面側に位置するベース53の計測用貫通穴(音響焦点57に形成された貫通穴)53aを介して光音響伝搬媒質部52に入射し、光音響伝搬媒質部52を厚み方向に貫通したのち、光路を逆に伝搬し、光音響伝搬媒質部52の裏面側のベース53の内面で反射したのち、再び、光音響伝搬媒質部52を厚み方向に貫通し、光音響伝搬媒質部52の表面側に位置する前記ベース53の貫通穴53aから出射して、LDVヘッド8に戻る。従って、音波計測用の光路は、光音響伝搬媒質部52の厚み4mmの2倍である8mmである。   The modulation of light by sound waves is frequency modulation. An aluminum material is used for the base 3. The laser light 58 emitted from the He—Ne laser is transmitted through a measurement through hole 53a (a through hole formed in the acoustic focal point 57) 53a of the base 53 located on the surface side of the silica dry gel 52. 52, enters the photoacoustic propagation medium portion 52 in the thickness direction, propagates in the reverse direction of the optical path, reflects off the inner surface of the base 53 on the back side of the photoacoustic propagation medium portion 52, and then again propagates the photoacoustic propagation. The light passes through the medium part 52 in the thickness direction, exits from the through hole 53a of the base 53 located on the surface side of the photoacoustic propagation medium part 52, and returns to the LDV head 8. Accordingly, the optical path for sound wave measurement is 8 mm which is twice the thickness of 4 mm of the photoacoustic propagation medium portion 52.

図15の結果より、第1実施形態と同様に極めて広帯域な受波特性を有していることがわかる。図15の波形81からピーク変位は約5nmである。換算される音圧Pは約54.2Pa程度である。音響ホーン終端での入力換算音圧は25Pa程度で2倍程度の収束効果が確認できた。この場合も、前記計測されて換算される音圧と前記入力換算音圧とは、オーダー的には十分に一致しており、前記計測されて換算される音圧を適切に校正することにより、極めて正確な音圧測定が可能である。   From the result of FIG. 15, it can be seen that the reception characteristic has an extremely wide band as in the first embodiment. From the waveform 81 in FIG. 15, the peak displacement is about 5 nm. The converted sound pressure P is about 54.2 Pa. The input equivalent sound pressure at the end of the acoustic horn was about 25 Pa, and a convergence effect of about twice was confirmed. Also in this case, the measured and converted sound pressure and the input converted sound pressure are sufficiently in order, and by appropriately calibrating the measured and converted sound pressure, Extremely accurate sound pressure measurement is possible.

第1実施形態においては、光音響伝搬媒質部52の内部で音波を収束させることにより、より高い感度で広帯域受波が可能となる。   In the first embodiment, by converging the sound wave inside the photoacoustic propagation medium unit 52, it is possible to receive a broadband with higher sensitivity.

(第2実施形態)
図16から図18を用いて、第2の実施形態の光学式超音波マイクロフォンを説明する。
第2実施形態と第1実施形態との差異は、音響焦点57における音圧を光学的に検出する光学系の構成にある。以下、この光学系を光学式音圧測定部1300と称する。
(Second Embodiment)
The optical ultrasonic microphone according to the second embodiment will be described with reference to FIGS.
The difference between the second embodiment and the first embodiment is the configuration of an optical system that optically detects the sound pressure at the acoustic focal point 57. Hereinafter, this optical system is referred to as an optical sound pressure measuring unit 1300.

第1実施形態では、光学式音圧測定部1300はLDVヘッド8とLDV演算処理部9で構成されていた。LDVは汎用性と安定性に富むが、LDVの構成上小型化が困難であるとともに高価である。従って、光学式超音波マイクロフォンを小形かつ低価格に提供するためには、小形で、かつ低価格な光学式音圧測定部1300にすることが望まれる。以下、光学式音圧測定部1300の構成について説明する。第2実施形態においても、第1実施形態で説明した構成と変更のないものは、図示および説明を割愛する。   In the first embodiment, the optical sound pressure measuring unit 1300 includes the LDV head 8 and the LDV arithmetic processing unit 9. Although LDV is rich in versatility and stability, downsizing is difficult and expensive due to the structure of LDV. Therefore, in order to provide an optical ultrasonic microphone with a small size and a low price, it is desired to make the optical sound pressure measuring unit 1300 small and inexpensive. Hereinafter, the configuration of the optical sound pressure measurement unit 1300 will be described. Also in the second embodiment, illustrations and descriptions are omitted for the configuration that is not changed from the configuration described in the first embodiment.

図16に、本発明の光学式超音波マイクロフォンの第2実施形態における光学式音圧測定部1300の光学系構造を示す。   FIG. 16 shows an optical system structure of an optical sound pressure measurement unit 1300 in the second embodiment of the optical ultrasonic microphone of the present invention.

図16に示す単色光光源1301は、可干渉性の光を発する。単色光光源1301から出射された単色光1302は光学系1303により、波面の平坦性の確保と適当なビームサイズへの拡大縮小がなされる。その後、単色光1302はビームスプリッタ1304によって2つの単色光1307,1308に分割される。そして、単色光1307は光音響伝搬媒質部52に向かい、単色光1308は平面鏡1306に向かう。   A monochromatic light source 1301 shown in FIG. 16 emits coherent light. The monochromatic light 1302 emitted from the monochromatic light source 1301 is secured by the optical system 1303 to ensure the flatness of the wavefront and to be enlarged or reduced to an appropriate beam size. Thereafter, the monochromatic light 1302 is split into two monochromatic lights 1307 and 1308 by the beam splitter 1304. Then, the monochromatic light 1307 goes to the photoacoustic propagation medium unit 52, and the monochromatic light 1308 goes to the plane mirror 1306.

単色光1307は、単色光1307を透過可能でかつ光音響伝搬媒質部52中に良好に音響振動を束縛可能な材質(例えば、透明な強化アクリル板)で構成された透明ベース1314と、光音響伝搬媒質部52の音響焦点57を通過し、平面鏡1310で反射された後に再度音響焦点57を通過する。そして、その一部はビームスプリッタ1304を通過し、集光光学系1311でビームの形状の成形が行われとともに光強度測定器1312に導かれる。以上述べた単色光1307が経由する光路をL11と記した。   The monochromatic light 1307 includes a transparent base 1314 made of a material that can transmit the monochromatic light 1307 and can satisfactorily constrain acoustic vibrations in the photoacoustic propagation medium 52 (for example, a transparent reinforced acrylic plate), and photoacoustic light. The sound passes through the acoustic focal point 57 of the propagation medium unit 52, is reflected by the plane mirror 1310, and then passes through the acoustic focal point 57 again. Then, a part of the light passes through the beam splitter 1304, the shape of the beam is formed by the condensing optical system 1311, and is guided to the light intensity measuring device 1312. The optical path through which the monochromatic light 1307 described above passes is denoted as L11.

また、単色光1308は平面鏡1306で反射されて再度ビームスプリッタ1304方向に進行するが、その一部がビームスプリッタ1340で反射された後、先ほどと同様に集光光学系1311により集光されて光強度測定器1312に導かれる。以上述べた単色光1308が経由する光路をL12と記した。   The monochromatic light 1308 is reflected by the plane mirror 1306 and travels in the direction of the beam splitter 1304 again. A part of the monochromatic light 1308 is reflected by the beam splitter 1340 and then condensed by the condensing optical system 1311 as before. Guided to an intensity meter 1312. The optical path through which the monochromatic light 1308 described above passes is denoted as L12.

以上、光学式超音波マイクロフォン1300の概略構成と単色光1302が経由する経路について説明した。次に、光学式超音波マイクロフォン1300の動作原理について図16を用いて説明する。ビームスプリッタ1304を透過した単色光1307と、ビームスプリッタ1304で反射された単色光1308の波面は十分平行であり、両単色光が高コントラスト(コントラストは干渉光の最大強度変動量を時間平均強度で割ったもので定義。従って、コントラストは0から2までの実数値をとる)の干渉光を生成できるように全光学系は光軸調整されているとともに、ビームスプリッタ1304の反射・透過率が選択されている。   The schematic configuration of the optical ultrasonic microphone 1300 and the path through which the monochromatic light 1302 passes have been described above. Next, the operation principle of the optical ultrasonic microphone 1300 will be described with reference to FIG. The wavefronts of the monochromatic light 1307 transmitted through the beam splitter 1304 and the monochromatic light 1308 reflected by the beam splitter 1304 are sufficiently parallel, and both monochromatic lights have high contrast (contrast is the maximum intensity fluctuation amount of interference light in terms of time average intensity). The optical axis of the entire optical system is adjusted so that the interference light can be generated (contrast takes a real value from 0 to 2), and the reflection / transmittance of the beam splitter 1304 is selected. Has been.

従って、2つの単色光が経由する光路L11,L12の光路長差に依存して光強度測定器1312で受光する干渉光強度が高コントラストで変動する。光路長差の時間変動がない場合は光強度測定器1312からの出力信号1313は時間に依らず一定値を示す。しかしながら、光音響伝搬媒質部52により音響焦点57に集音される音響信号強度の時間変動によって音響焦点57の屈折率が時間的に変動し、それに応じて前記光路長差が時間的に変動するため、出力信号1313は時間的に変動する。屈折率変動は入力音圧に依存しているため、出力信号1313を信号解析することにより音圧変動を観測できる。以上が、光学式超音波マイクロフォン1300の動作である。   Accordingly, the intensity of the interference light received by the light intensity measuring device 1312 varies with high contrast depending on the optical path length difference between the optical paths L11 and L12 through which the two monochromatic light passes. When there is no time variation of the optical path length difference, the output signal 1313 from the light intensity measuring device 1312 shows a constant value regardless of time. However, the refractive index of the acoustic focal point 57 varies with time due to temporal variation of the intensity of the acoustic signal collected at the acoustic focal point 57 by the photoacoustic propagation medium unit 52, and the optical path length difference varies with time accordingly. Therefore, the output signal 1313 varies with time. Since the refractive index variation depends on the input sound pressure, the sound pressure variation can be observed by analyzing the output signal 1313. The above is the operation of the optical ultrasonic microphone 1300.

第2実施形態の光学式超音波マイクロフォン1300における可能な装置構成のバリエーションと、設計時の考慮点について説明する。   Variations of possible device configurations in the optical ultrasonic microphone 1300 of the second embodiment and considerations during design will be described.

図16においては、ビームスプリッタ1304、透明ベース1314、平面鏡1306、及び平面鏡1310を全て互いに接触させてあるよう記したが、それらの間に空気層などの他の光学媒体を挟み互いに離れた位置に配置してもよいことは言うまでもない。しかしながら、本構成における干渉光強度の安定性は、主に単色光1307,1308が異なる光路を通過する間に被る空気ゆらぎ等による音響信号以外の影響による屈折率変動をいかに抑圧するかに依存する。従って、安定性の高い出力信号1313を得るためには、図16に記したように極力空気層や力学的に不安定な光学媒体の挿入を排除するとともに、光路L11,L12が異なる経路を辿る領域を出来るかぎり小形にするよう構成することが望ましい。   In FIG. 16, the beam splitter 1304, the transparent base 1314, the plane mirror 1306, and the plane mirror 1310 are all in contact with each other. However, another optical medium such as an air layer is sandwiched between them, and they are separated from each other. Needless to say, they may be arranged. However, the stability of the interference light intensity in this configuration mainly depends on how to suppress the refractive index fluctuation due to the influence other than the acoustic signal due to the air fluctuation that the monochromatic light 1307 and 1308 suffer while passing through different optical paths. . Therefore, in order to obtain a highly stable output signal 1313, the insertion of an air layer or a mechanically unstable optical medium is eliminated as shown in FIG. 16, and the optical paths L11 and L12 follow different paths. It is desirable to make the area as small as possible.

図16には、光学系1303及び集光光学系1311で構成しているが、単色光光源1301からの単色光1302が十分な可干渉性と測定に必要なビームサイズを単色光光源1301からの出射時点から備えている場合には省略可能であることは言うまでもない。   16 includes an optical system 1303 and a condensing optical system 1311. The monochromatic light 1302 from the monochromatic light source 1301 has sufficient coherence and a beam size necessary for measurement from the monochromatic light source 1301. Needless to say, it can be omitted if the system is provided from the time of emission.

しかしながら、必要とされる音響信号の測定可能周波数帯域において、光音響伝搬媒質部52の焦点位置のずれが問題となる場合(すなわち、光音響伝搬媒質部52が音響信号に対して“色収差”を持つ場合)、単色光1302のビームサイズには収差による音響焦点57の位置変動を十分覆うだけの大きさが必要とされる。なぜならば、もしある周波数帯の音響信号が単色光1302のビームスポット外に焦点を形成する場合には、その周波数帯の音響信号が受信されないため、音響信号の測定可能周波数帯域において音響信号の受信特性に周波数依存性が生じるからである。受信特性に周波数依存性が存在すると、音響焦点57での音響信号の時間波形と出力信号1313の信号波形の相似性が確保できなくなるいわゆる信号歪が発生し特性上好ましくない。従って、広範な音響測定可能周波数帯域を確保するためにはこの問題の回避が必要不可欠であり、光学系1303を挿入してある程度のビームサイズを持つように単色光1302を拡張する必要がある。   However, when the focus position shift of the photoacoustic propagation medium unit 52 becomes a problem in the required measurable frequency band of the acoustic signal (that is, the photoacoustic propagation medium unit 52 exhibits “chromatic aberration” with respect to the acoustic signal. If it has, the beam size of the monochromatic light 1302 needs to be large enough to cover the position fluctuation of the acoustic focus 57 due to aberration. This is because if an acoustic signal in a certain frequency band forms a focal point outside the beam spot of the monochromatic light 1302, the acoustic signal in that frequency band is not received, so the acoustic signal is received in the measurable frequency band of the acoustic signal. This is because frequency dependence occurs in the characteristics. If there is frequency dependency in the reception characteristics, so-called signal distortion is generated in which the similarity between the time waveform of the acoustic signal at the acoustic focal point 57 and the signal waveform of the output signal 1313 cannot be secured, which is not preferable in terms of characteristics. Therefore, it is indispensable to avoid this problem in order to secure a wide frequency band capable of acoustic measurement, and it is necessary to expand the monochromatic light 1302 so as to have a certain beam size by inserting the optical system 1303.

ところで、単色光1302に要求されるスペクトル幅は光学式超音波マイクロフォン1300の光学系構成に依存する。例えば、ビームスプリッタ1304と平面鏡1306の間に平行平板ガラスを挿入し、音響焦点57に音響信号が入力されていない状況において光路L11,L12が等しくなるよう調整されている場合は、単色光1302としては所望の波長に最大強度を持った発光ダイオード光などの広帯域光線ないしは白色光を用いることができる。単色光1302のスペクトル幅が狭くなるに従い、単色光光源1301の物理的サイズが大型化するとともに高額になるため、光学式音響測定装置を小形かつ低価格に実現する場合には、出来る限り光路L11,L12の光路長が等しくなるよう光学系を構成することが望ましい。   Incidentally, the spectral width required for the monochromatic light 1302 depends on the optical system configuration of the optical ultrasonic microphone 1300. For example, when a parallel plate glass is inserted between the beam splitter 1304 and the plane mirror 1306 and the optical paths L11 and L12 are adjusted to be equal in a situation where no acoustic signal is input to the acoustic focal point 57, the monochromatic light 1302 is obtained. Can use broadband light such as light emitting diode light having maximum intensity at a desired wavelength or white light. As the spectral width of the monochromatic light 1302 becomes narrower, the physical size of the monochromatic light source 1301 increases and becomes expensive. Therefore, when the optical acoustic measurement device is realized in a small size and at a low price, the optical path L11 is as much as possible. , L12 is preferably configured so that the optical path lengths of L12 are equal.

また、透明ベース板1314は単色光1307が十分透過できるよう透明な材質より構成されているとして説明したが、両透明ベース板1314に小開口部を設け、単色光1307の光路が前記小開口部中を通過できるようにすることによって、透明ベース板1314は不透明なものでも適用可能となることは言うまでもない。上述した干渉光強度安定性に対する要求仕様が満足されるのであれば、単色光1307が透明ベース1314を通過しうる構成はすべて等しく動作可能である。   Further, the transparent base plate 1314 has been described as being made of a transparent material so that the monochromatic light 1307 can be sufficiently transmitted. However, both the transparent base plates 1314 are provided with small openings, and the optical path of the monochromatic light 1307 is the small openings. Needless to say, the transparent base plate 1314 can be applied to the transparent base plate 1314 by allowing it to pass therethrough. As long as the above-mentioned required specifications for interference light intensity stability are satisfied, all configurations in which the monochromatic light 1307 can pass through the transparent base 1314 can be operated equally.

次に、図17及び図18を用いて、図16に記した光学式超音波マイクロフォン1300の測定原理を実証した結果を説明する。   Next, the results of demonstrating the measurement principle of the optical ultrasonic microphone 1300 shown in FIG. 16 will be described with reference to FIGS.

光学式超音波マイクロフォン1300は、音圧により生成される音響媒体中の屈折率変動を光干渉法により光路長変動として計測する。そこで、図17に示す光干渉計を実際に構成し原理実証を行なった。   The optical ultrasonic microphone 1300 measures the refractive index fluctuation in the acoustic medium generated by the sound pressure as the optical path length fluctuation by the optical interferometry. Therefore, the optical interferometer shown in FIG. 17 was actually constructed and the principle was verified.

図17は、第2実施形態における光学式超音波マイクロフォンの原理実証用の実験装置を示す。図17において、He−Neレーザ1400から発せられたレーザ光はビームスプリッタ1401で2つの経路L21と経路L22に分割される。経路L21中のレーザ光線は反射鏡1402により折り返され、ビームスプリッタ1405において経路L22のレーザ光線と干渉する。   FIG. 17 shows an experimental apparatus for proof of principle of the optical ultrasonic microphone in the second embodiment. In FIG. 17, the laser beam emitted from the He—Ne laser 1400 is divided into two paths L21 and L22 by the beam splitter 1401. The laser beam in the path L21 is folded back by the reflecting mirror 1402, and interferes with the laser beam in the path L22 in the beam splitter 1405.

また、経路L22を経由するレーザ光は、反射鏡1403で折り返され音響媒体1404を通過した後に経路L21の光線と干渉する。そして、生成された干渉光の強度が光検出器1406で電気信号として出力される。その電気信号は、デジタル・オシロスコープ1408で信号に含まれるDC成分の除去や平均化処理など必要な信号処理を経て音響受信信号として出力される。   The laser light passing through the path L22 interferes with the light beam of the path L21 after being folded by the reflecting mirror 1403 and passing through the acoustic medium 1404. Then, the intensity of the generated interference light is output as an electrical signal by the photodetector 1406. The electrical signal is output as an acoustic reception signal through a digital oscilloscope 1408 through necessary signal processing such as removal of DC components contained in the signal and averaging processing.

なお、経路L22の反射鏡1403とビームスプリッタ1405の中間には音響媒体1404が挿入されている。更に、音響媒体1404にはホーン1409が接続されており、スピーカ1410から発せられる音響信号を音響媒体1404に導入できるようになっている。本実験装置構成では、経路L21と経路L22の光路長差をマッハツェンダー型干渉計で干渉光強度として計測するため、干渉光強度は音響媒体1404に導入された音響信号により生成される屈折率変化に依存する。   An acoustic medium 1404 is inserted between the reflecting mirror 1403 and the beam splitter 1405 in the path L22. Further, a horn 1409 is connected to the acoustic medium 1404 so that an acoustic signal emitted from the speaker 1410 can be introduced into the acoustic medium 1404. In this experimental apparatus configuration, since the optical path length difference between the path L21 and the path L22 is measured as the interference light intensity by the Mach-Zehnder interferometer, the interference light intensity is a refractive index change generated by the acoustic signal introduced into the acoustic medium 1404. Depends on.

次に、実際の実験状況を説明する。実験においては、スピーカ1410への入力信号は、ファンクションジェネレータ(不図示)により生成された振幅0.5V,周波数40kHzの正弦波1波を用いた。また、スピーカ1410前面からホーン1409開口部面までの距離は100mmとし、音響媒体1404としては厚さ5mm(図17紙面に対して左右方向)で一辺20mmの正方形形状のものを用いた。なお、音響媒体1404は40kHzの正弦波に対して音速約70mを有している。   Next, the actual experimental situation will be described. In the experiment, an input signal to the speaker 1410 was a single sine wave having an amplitude of 0.5 V and a frequency of 40 kHz generated by a function generator (not shown). Further, the distance from the front surface of the speaker 1410 to the opening surface of the horn 1409 was 100 mm, and the acoustic medium 1404 having a thickness of 5 mm (left and right direction with respect to FIG. 17) and a square shape with a side of 20 mm was used. The acoustic medium 1404 has a sound speed of about 70 m with respect to a 40 kHz sine wave.

図18に、測定された結果を示す。図18(a)は、図17の光学式超音波マイクロフォンの原理実証用の実験装置により測定されたデジタル・オシロスコープ1408からの出力信号の時間波形を記したグラフである。また、図18(b)は、スピーカ1410への入力信号の時間波形を記したグラフである。図18(a)及び(b)は、横軸の時間幅が同一となるように、また、両信号波頭が一致するように配置されている。   FIG. 18 shows the measured results. FIG. 18A is a graph showing a time waveform of an output signal from the digital oscilloscope 1408 measured by an experimental apparatus for proof of principle of the optical ultrasonic microphone of FIG. FIG. 18B is a graph showing a time waveform of an input signal to the speaker 1410. 18A and 18B are arranged so that the time widths on the horizontal axis are the same, and the signal wave fronts coincide with each other.

図18から分かるように、図18(b)に記したスピーカ1410への出力信号が音響信号に変換されて空気中を伝搬し、ホーン1409により集音され音響媒体1404に導入され粗密波として進行し、それに応じて音響媒体1404と光路L22の交差領域に生成される屈折率変動がデジタル・オシロスコープ1408からの干渉光強度出力として検出されている。従って、光学式音響測定部1300は実際に機能しうることがこの測定結果より分かる。   As can be seen from FIG. 18, the output signal to the speaker 1410 shown in FIG. 18B is converted into an acoustic signal and propagates through the air, collected by the horn 1409 and introduced into the acoustic medium 1404 and travels as a dense wave. Accordingly, the refractive index fluctuation generated in the intersection region between the acoustic medium 1404 and the optical path L22 is detected as the interference light intensity output from the digital oscilloscope 1408. Therefore, it can be seen from this measurement result that the optical acoustic measurement unit 1300 can actually function.

(第3実施形態)
次に、図19を用いて、第3実施形態の光学式超音波マイクロフォンを説明する。
(Third embodiment)
Next, the optical ultrasonic microphone of the third embodiment will be described with reference to FIG.

第3の実施形態の光学式超音波マイクロフォンも第2実施形態と同様に、音響焦点57における音圧を光学検出する光学系を構成する。図16で述べた光学式超音波マイクロフォン1300ではマイケルソン・モーレー干渉計を構成している2つの異なる経路L21,L22の光路長差を干渉光強度に変換して計測している。   Similarly to the second embodiment, the optical ultrasonic microphone according to the third embodiment also constitutes an optical system that optically detects the sound pressure at the acoustic focal point 57. In the optical ultrasonic microphone 1300 described with reference to FIG. 16, the optical path length difference between two different paths L21 and L22 constituting the Michelson-Morley interferometer is converted into interference light intensity and measured.

しかしながら、単色光1302がレーザ光のような可干渉性の単色光である場合、干渉光強度は、単色光1302の波長に換算して整数波長の差異を有する光路長差変動は全て同一強度を与えるため(すなわち、ピッチ飛び)、そのような光路長差変動に相当する強大な音圧を持つ音響信号や、音響信号がない状況において光路長差が既に半奇数波長である場合においては、出力信号1313と音響焦点57における音響信号の時間波形の相似性が崩れるといういわゆる信号歪が発生することになる。   However, when the monochromatic light 1302 is a coherent monochromatic light such as a laser beam, the interference light intensity is converted into the wavelength of the monochromatic light 1302, and all the optical path length difference variations having an integer wavelength difference have the same intensity. Output (ie, pitch skip), if there is an acoustic signal with a strong sound pressure corresponding to such a variation in the optical path length, or if the optical path length difference is already a half-odd wavelength in the absence of an acoustic signal A so-called signal distortion occurs in which the similarity between the time waveform of the acoustic signal at the signal 1313 and the acoustic focal point 57 is lost.

この問題は、図16に記載の光学式超音波マイクロフォンを構成する干渉計の光路長差変動量の絶対量測定可能範囲が1波長以下であることに起因しており、広い測定ダイナミックレンジを有した光学式音響マイクロフォンを構成する場合には課題となる。この課題を解決するためには光路長差の絶対量測定可能範囲が大きな干渉計を用いることが必要である。以下に述べるように、実際にそのような特徴を持つ干渉計を適用した光学式超音波マイクロフォンを構成することができる。   This problem is caused by the fact that the absolute amount measurable range of the optical path length difference variation amount of the interferometer constituting the optical ultrasonic microphone shown in FIG. 16 is one wavelength or less, and has a wide measurement dynamic range. This is a problem when an optical acoustic microphone is constructed. In order to solve this problem, it is necessary to use an interferometer having a large absolute range measurable range of the optical path length difference. As described below, an optical ultrasonic microphone to which an interferometer having such characteristics is actually applied can be configured.

図19を参照して、上記課題を解決可能な光学式超音波マイクロフォンの構成を説明する。なお、第3実施形態において、第1実施形態に現れる構成と変更のないものは、その図示および説明を割愛する。   With reference to FIG. 19, a configuration of an optical ultrasonic microphone capable of solving the above-described problem will be described. Note that in the third embodiment, illustrations and descriptions of configurations that do not change in the first embodiment are omitted.

図19に、第3実施形態における測定ダイナミックレンジが広くかつ信号歪のない光学式超音波マイクロフォン1300の光学系構成を示す。なお、図19では、図16の装置構成から何の変更もなく適用可能な構成要素については図16と同一符号を適用する。   FIG. 19 shows an optical system configuration of an optical ultrasonic microphone 1300 having a wide measurement dynamic range and no signal distortion in the third embodiment. In FIG. 19, the same reference numerals as those in FIG. 16 are applied to components that can be applied without any change from the apparatus configuration in FIG.

図19において1601は2周波直線偏波レーザ光源であり、互いに偏波面が直交し、それぞれの周波数がω,ω+Δωの直線偏波光からなるレーザ光1602を発射する。   In FIG. 19, reference numeral 1601 denotes a dual-frequency linearly polarized laser light source, which emits laser light 1602 composed of linearly polarized light having mutually orthogonal polarization planes and frequencies of ω and ω + Δω.

以下では、説明を明瞭にするために前記2つの直線偏波光の1つの偏波面は図19紙面に平行で周波数ωを持つと規定する(従って、もう一方の偏波面は図19紙面に対して垂直であり周波数ω+Δωを持つ)。   In the following, for the sake of clarity, it is specified that one polarization plane of the two linearly polarized lights is parallel to the paper surface of FIG. 19 and has a frequency ω (so that the other polarization surface is relative to the paper surface of FIG. Vertical and has frequency ω + Δω).

図17に記載の装置構成と同様な目的で、レーザ光1602は光学系1303により波面の平坦性の確保と適当なビームサイズへの拡大縮小が行われる(光学系1303の挿入によるレーザ光1602の偏波状況の変化は通常極めて微少であり無視しうる)。調整後のレーザ光1602は無偏光ビームスプリッタ1603で両偏波成分ともにその一部が反射され、集光光学系1604により光強度測定器1605に導かれる。反射は無偏光面においてなされるので、反射直後のレーザ光1602に含まれ2つの偏波成分は偏波面の回転や直線偏波性、および、両成分の振幅強度比は反射前のレーザ光1602と同一である。   For the same purpose as the apparatus configuration shown in FIG. 17, the optical system 1303 ensures the flatness of the wavefront and enlarges or reduces the laser beam 1602 to an appropriate beam size (the laser beam 1602 is inserted by inserting the optical system 1303). Changes in the polarization situation are usually very small and can be ignored). The adjusted laser beam 1602 is partially reflected by the non-polarizing beam splitter 1603 for both polarization components, and guided to the light intensity measuring device 1605 by the condensing optical system 1604. Since the reflection is performed on the non-polarized surface, the two polarization components included in the laser beam 1602 immediately after the reflection are the rotation and linear polarization of the polarization surface, and the amplitude intensity ratio of both components is the laser beam 1602 before the reflection. Is the same.

ところで、無偏光ビームスプリッタ1603と集光光学系1604の間には偏光板1606が挿入されている。なお、偏光板1606の偏光軸は図19の紙面に対して45°傾いており、前記偏光軸はレーザ光1602中の2つの偏波面に対して等しく45°の角度をなしているので、偏光板1606により両偏波面は前記偏光軸へ射影されるため、それまで偏波面の直交性により非可干であったそれぞれ周波数ω,ω+Δωを持つ直線偏波成分は干渉し、生成された差周波Δωのビート光が光強度測定器1605に入射する。そのため、基準ビート信号1607の時間波形は周波数Δωの正弦波となる。なお、周波数ω,ω+Δωを持つ直線偏波成分は常に同一経路を経由するので、基準ビート信号1607中には音響信号に関する情報は含まれていない。   Incidentally, a polarizing plate 1606 is inserted between the non-polarizing beam splitter 1603 and the condensing optical system 1604. Note that the polarization axis of the polarizing plate 1606 is inclined by 45 ° with respect to the paper surface of FIG. 19, and the polarization axis is equally 45 ° with respect to the two polarization surfaces in the laser light 1602. Since both polarization planes are projected onto the polarization axis by the plate 1606, linearly polarized components having frequencies ω and ω + Δω, which have been non-driable due to the orthogonality of the polarization planes, interfere with each other, and the generated difference frequency The beat light of Δω enters the light intensity measuring device 1605. Therefore, the time waveform of the reference beat signal 1607 is a sine wave having a frequency Δω. Since the linearly polarized wave component having the frequencies ω and ω + Δω always passes through the same path, the reference beat signal 1607 does not include information on the acoustic signal.

次に、無偏光ビームスプリッタ1603を通過したレーザ光1602の行方について説明する。無偏光ビームスプリッタ1603を通過したレーザ光1602は、偏光ビームスプリッタ1608で偏波面方向による反射・透過による経路の選択が行われる。ここでも説明を簡単にするため、偏光ビームスプリッタ1608は図19紙面に平行な偏波面を持つ直線偏波光は完全反射されるとする。従って、無偏光ビームスプリッタ1603を通過したレーザ光1602に含まれる図19紙面に平行な偏波面を持つ直線偏波光のみ音響焦点57に向かって反射され、図19紙面に垂直な偏波面を持つ直線偏波光は完全に透過して平面鏡1617に向かう。   Next, the whereabouts of the laser beam 1602 that has passed through the non-polarizing beam splitter 1603 will be described. The laser beam 1602 that has passed through the non-polarizing beam splitter 1603 is selected by the polarizing beam splitter 1608 to be routed by reflection / transmission according to the polarization plane direction. Here, for the sake of simplicity, it is assumed that the polarization beam splitter 1608 completely reflects linearly polarized light having a polarization plane parallel to the plane of FIG. Accordingly, only linearly polarized light having a polarization plane parallel to the paper surface of FIG. 19 included in the laser light 1602 that has passed through the non-polarizing beam splitter 1603 is reflected toward the acoustic focal point 57, and a straight line having a polarization surface perpendicular to the paper surface of FIG. The polarized light is completely transmitted to the plane mirror 1617.

以上のように偏波面方向により経路分割されたレーザ光のうち、音響焦点57方向に反射されたレーザ光1609の行方についてまず説明する。レーザ光1609は、平面鏡1618で反射される間に音響焦点57を2回通過するので、光音響伝搬媒質部52に入力された音響信号により生成される屈折率変動応じた光路長変動を被る。この点は図17に記載の構成例に同一であるが、図19の構成では経路の途中に1/8λ波長板1610を2回通過する点に相違がある。1/8λ波長板1610はそれを通過する光の偏波面を45°回転させる作用を有する。従って、平面鏡1618で反射されて偏光ビームスプリッタ1608内に戻ってきたレーザ光1609の偏波面は90°回転し図19紙面に対して垂直となるため偏光ビームスプリッタ1608を通過し、偏光板1613を経て集光光学系1611によって光強度測定器1612に導かれる。   First, description will be given of the whereabouts of the laser beam 1609 reflected in the direction of the acoustic focus 57 among the laser beams divided in the polarization plane direction as described above. Since the laser beam 1609 passes through the acoustic focal point 57 twice while being reflected by the plane mirror 1618, the laser beam 1609 suffers from an optical path length variation according to the refractive index variation generated by the acoustic signal input to the photoacoustic propagation medium unit 52. This point is the same as the configuration example shown in FIG. 17, but the configuration in FIG. 19 is different in that it passes through the 1 / 8λ wave plate 1610 twice in the middle of the path. The 1 / 8λ wave plate 1610 has a function of rotating the plane of polarization of light passing therethrough by 45 °. Accordingly, the plane of polarization of the laser light 1609 reflected by the plane mirror 1618 and returning into the polarization beam splitter 1608 is rotated by 90 ° and becomes perpendicular to the paper surface of FIG. 19, and thus passes through the polarization beam splitter 1608 and passes through the polarization plate 1613. Then, it is guided to the light intensity measuring device 1612 by the condensing optical system 1611.

次に、偏光ビームスプリッタ1608で偏波面方向により経路分割されたレーザ光で、平面鏡1617に向かうレーザ光1614の行方について説明する。レーザ光1614は平面鏡1617で反射され再び偏光ビームスプリッタ1608の反射面直前に戻った時点で1/8λ波長板1615を2回通過しているため偏波面が90°回転し、図19紙面に対して平行となる。従って、レーザ光1614は偏光ビームスプリッタ1608で反射され、偏光板1613を通過後に集光光学系1611により光強度測定器1612に導かれる。   Next, description will be made regarding the whereabouts of the laser light 1614 directed to the plane mirror 1617 by the laser light whose path is divided in the polarization plane direction by the polarization beam splitter 1608. When the laser beam 1614 is reflected by the plane mirror 1617 and returns to immediately before the reflecting surface of the polarizing beam splitter 1608, the laser beam 1614 passes through the 1 / 8λ wave plate 1615 twice. Become parallel. Accordingly, the laser beam 1614 is reflected by the polarization beam splitter 1608 and is guided to the light intensity measuring device 1612 by the condensing optical system 1611 after passing through the polarizing plate 1613.

以上のように、2つのレーザ光1609,1614は偏光板1613の直前で再び偏波面が互いに直交した一本のレーザ光に統合されるが、偏光板1613の偏光軸は図19紙面に対して45°傾いており上述の偏光板1606と同様に作用し、偏光板1614通過後2つのレーザ光1609,1614は可干渉性となる。従って、レーザ光1609,1614は干渉し差周波数Δωのビート光となり、同一周波数を有する正弦波形を有する測定ビート信号1616が光強度測定器1612から出力される。   As described above, the two laser beams 1609 and 1614 are integrated into one laser beam whose polarization planes are orthogonal to each other immediately before the polarizing plate 1613, but the polarizing axis of the polarizing plate 1613 is relative to the paper surface of FIG. It is inclined 45 ° and acts in the same manner as the polarizing plate 1606 described above, and after passing through the polarizing plate 1614, the two laser beams 1609 and 1614 become coherent. Accordingly, the laser beams 1609 and 1614 interfere to become beat light having a difference frequency Δω, and a measurement beat signal 1616 having a sine waveform having the same frequency is output from the light intensity measuring device 1612.

基準ビート信号1607と異なり、測定ビート信号1616の位相φは2つのレーザ光1609,1614各々が独立に経由する経路の光路長差に依存し、周波数ωの単色光波長λ=2πc/ω(cは光速)で換算して1波長の光路長差の変動は位相φの2πの変動に相当する。位相φの測定は、光強度測定器1605,1612から電気信号として出力された基準ビート信号1607と測定ビート信号1616の位相比較により行われる。位相比較は、例えばロックインアンプ(不図示)を用いて基準ビート信号1607を基準とした測定ビート信号1616の位相差測定を行うことにより高精度に行うことができる。   Unlike the reference beat signal 1607, the phase φ of the measurement beat signal 1616 depends on the optical path length difference of the path through which each of the two laser beams 1609 and 1614 passes independently, and the monochromatic light wavelength λ = 2πc / ω (c In terms of the speed of light), the change in the optical path length difference of one wavelength corresponds to the change in 2π of the phase φ. The phase φ is measured by comparing the phase of the reference beat signal 1607 output from the light intensity measuring instruments 1605 and 1612 as an electrical signal with the measured beat signal 1616. The phase comparison can be performed with high accuracy by measuring the phase difference of the measurement beat signal 1616 with reference to the reference beat signal 1607 using, for example, a lock-in amplifier (not shown).

図19の装置構成は連続量である位相φを測定するため、図16での課題の1つであるピッチ飛びによる信号歪は一切生じない。また、もう一つの課題である2πを超える位相φの変動量の計測は次のようにしてなされる。まず、光音響伝搬媒質部52に音響信号の入力が無い状態での位相φ0を測定して置き、それからの位相変動Δφ(すなわち、φ=φ0+Δφ)を常モニターすることにより、2πを超える位相φの変動量の計測は可能となる。上述のように位相変動Δφは前記光路長差変動を経由して音響信号に起因する音響焦点57での屈折率変動を反映するため、測定された位相変動Δφを解析することにより、上記の2つの課題を解決しながら前記音響信号の測定ができる。   Since the apparatus configuration of FIG. 19 measures the phase φ, which is a continuous quantity, no signal distortion due to pitch jump, which is one of the problems in FIG. 16, occurs. Further, the measurement of the fluctuation amount of the phase φ exceeding 2π, which is another problem, is performed as follows. First, the phase φ0 in a state where no acoustic signal is input is measured and placed in the photoacoustic propagation medium unit 52, and the phase variation Δφ (that is, φ = φ0 + Δφ) is constantly monitored to thereby exceed the phase φ exceeding 2π. It is possible to measure the amount of fluctuation. As described above, since the phase variation Δφ reflects the refractive index variation at the acoustic focal point 57 caused by the acoustic signal via the optical path length difference variation, the measured phase variation Δφ is analyzed to analyze the above 2 The acoustic signal can be measured while solving one problem.

図19に示した光学式超音波マイクロフォン1300において、装置構成上可能なバリエーションや変更を説明する。図19の構成においても図16と同様に、2周波直線偏波レーザ光源1601からの出射光が、そのままで十分なコントラストを有する干渉光を生成可能な波面の平坦度、および、音響焦点57の十分な被覆を実現するビームサイズを有する場合には、光学系1303、集光光学系1604,1611を省略することが可能である。   In the optical ultrasonic microphone 1300 shown in FIG. 19, variations and changes that can be made in the apparatus configuration will be described. In the configuration of FIG. 19, similarly to FIG. 16, the emitted light from the two-frequency linearly polarized laser light source 1601 can generate the interference wave having sufficient contrast as it is, and the flatness of the wave front, and the acoustic focal point 57. In the case of a beam size that realizes a sufficient coating, the optical system 1303 and the condensing optical systems 1604 and 1611 can be omitted.

また、2周波直線偏波レーザ光源1601は既存の2周波レーザ光源が等しく適用可能であることは言うまでもない。例えば、2周波ゼーマンレーザや、音響光学変調素子(Acoustic−optic modulator)により周波数差Δωを有した直線偏波レーザ光を生成し、各々の偏波面が直交するように変調後の2つの直線偏波レーザ光を1光束に統合した光源が適用できる。   Needless to say, the existing dual-frequency laser light source is equally applicable to the dual-frequency linearly polarized laser light source 1601. For example, a linearly polarized laser beam having a frequency difference Δω is generated by a two-frequency Zeeman laser or an acousto-optic modulator, and the two linearly polarized light beams after modulation so that their planes of polarization are orthogonal to each other. A light source in which wave laser light is integrated into one light beam can be applied.

更に、図19において、偏光板1606,1613、無偏光ビームスプリッタ1603、偏光ビームスプリッタ1608、1/8λ波長板1610,1615、平面鏡1617,1618、光音響伝搬媒質部52は完全に接触するように表現したが、空気層などの他の光学媒体が各々の素子の間に挿入されていても同様な機能を生じうることは言うまでもない。しかしながら、音響焦点57に生成される屈折率変動のみを良好に計測しうる高い装置安定性、および、装置全体の小型化のためには、空気層や力学的に弱い光学媒体を挿入しないほうがよい。   Further, in FIG. 19, the polarizing plates 1606 and 1613, the non-polarizing beam splitter 1603, the polarizing beam splitter 1608, the 1 / 8λ wavelength plates 1610 and 1615, the plane mirrors 1617 and 1618, and the photoacoustic propagation medium unit 52 are completely in contact with each other. Although expressed, it goes without saying that a similar function can be produced even if another optical medium such as an air layer is inserted between the respective elements. However, it is better not to insert an air layer or a mechanically weak optical medium in order to achieve high device stability capable of satisfactorily measuring only the refractive index variation generated at the acoustic focus 57 and downsizing of the entire device. .

図19において、レーザ光1602、無偏光ビームスプリッタ1603、偏光ビームスプリッタ1608、偏光板1606,1613の偏光面・偏光軸を、図19紙面を基準に設定したが、各々の相対的角度関係が一致しているのであれば、それぞれの偏光面・偏光軸を、光軸を中心に任意角度一斉に回転しても良いことは言うまでもない。また、偏光ビームスプリッタ1608の反射・透過の偏波選択性を逆にとっても同様に機能することも言うまでもない。   In FIG. 19, the polarization planes and polarization axes of the laser beam 1602, the non-polarization beam splitter 1603, the polarization beam splitter 1608, and the polarizing plates 1606 and 1613 are set with reference to the plane of FIG. If so, it goes without saying that the respective polarization planes and polarization axes may be rotated at an arbitrary angle around the optical axis. It goes without saying that the polarization beam splitter 1608 functions similarly even if the polarization selectivity of reflection / transmission is reversed.

本発明の光学式超音波マイクロフォンによれば、従来では困難であった高い周波領域でかつ広帯域な超音波の受波が可能となり、100kHz以上の実効的な帯域を持つ標準マイクロフォンが実現できる。   According to the optical ultrasonic microphone of the present invention, it is possible to receive a high-frequency and wide-band ultrasonic wave, which has been difficult in the past, and a standard microphone having an effective band of 100 kHz or more can be realized.

8 LDVヘッド
9 LDV演算処理部
14、104 環境流体
51、51A 光学式超音波マイクロフォン
52 光音響伝搬媒質部
53 ベース
53a 計測用貫通穴
55、901 音波伝搬方向
56 音響導波部材
57 音響焦点
58、1614、1602、1609 レーザ光
60 音響導波路
61 透過面
62 導波路外面
63 開口部
64、64A 導波路終端
70 内空間
71 開口部
72 端部
77 収束部
81 LDV出力波形
101 超音波送受波器
102 超音波振動子
103 伝搬媒質部
105 超音波伝搬経路
111 第1表面領域
112 第2表面領域
121 LDV
122、123、1402、1403 反射鏡
124 キュービックミラー
125 レーザ光路
126 音場
127 演算部
902 等位相面
1300、1600 光学式音圧測定部
1301 単色光光源
1302、1307、1308 単色光
1303 光学系
1304、1401、1405 ビームスプリッタ
1306、1310、1617、1618 平面鏡
1311、1604、1611 集光光学系
1312、1612、1605 光強度測定器
1313 出力信号
1314 透明ベース
1400 He−Neレーザ
1402、1403 反射鏡
1404 音響媒質
1406 光検出部
1407 デジタル・オシロスコープ
1408 ホーン
1409 スピーカ
1602 2周波直線偏波レーザ光源
1603 無偏光ビームスプリッタ
1606、1613 偏光板
1607 基準ビート信号
1608 偏光ビームスプリッタ
1610、1615 1/8λ波長板
1616 測定ビート信号
8 LDV head 9 LDV arithmetic processing unit 14, 104 Environmental fluid 51, 51A Optical ultrasonic microphone 52 Photoacoustic propagation medium unit 53 Base 53a Measurement through-hole 55, 901 Sound propagation direction 56 Acoustic waveguide member 57 Acoustic focus 58, 1614, 1602, 1609 Laser light 60 Acoustic waveguide 61 Transmission surface 62 Waveguide outer surface 63 Opening 64, 64A Waveguide termination 70 Inner space 71 Opening 72 End 77 Converging part 81 LDV output waveform 101 Ultrasonic transmitter / receiver 102 Ultrasonic vibrator 103 Propagation medium portion 105 Ultrasonic propagation path 111 First surface region 112 Second surface region 121 LDV
122, 123, 1402, 1403 Reflective mirror 124 Cubic mirror 125 Laser light path 126 Sound field 127 Calculation unit 902 Equiphase surface 1300, 1600 Optical sound pressure measurement unit 1301 Monochromatic light source 1302, 1307, 1308 Monochromatic light 1303 Optical system 1304, 1401, 1405 Beam splitter 1306, 1310, 1617, 1618 Plane mirror 1311, 1604, 1611 Condensing optical system 1312, 1612, 1605 Light intensity measuring device 1313 Output signal 1314 Transparent base 1400 He-Ne laser 1402, 1403 Reflector 1404 Acoustic medium 1406 Photodetector 1407 Digital oscilloscope 1408 Horn 1409 Speaker 1602 Dual-frequency linearly polarized laser light source 1603 Unpolarized beam splitter 1606, 1 13 polarizing plate 1607 reference beat signal 1608 polarizing beam splitter 1610,1615 1 / 8λ wave plate 1616 measurement beat signal

Claims (16)

環境流体で満たされた周囲の空間を伝搬する音波の受波を行うマイクロフォンであって、
前記音波が入射する第1の開口部と、
前記第1の開口部から入射した音波が伝搬する音響導波路と、
透過面を有し、前記透過面が前記超音波の伝搬方向に沿って前記音響導波路の一面を構成するように前記導波路に設けられた光音響伝搬媒質部であって、前記導波路を伝搬するにしたがって前記超音波の一部が前記透過面からそれぞれ前記伝搬媒質部へ透過し、所定の収束点に収束するように前記透過面が構成され、前記導波路に対して配置されている光音響伝搬媒質部と、
前記収束点に向かって光波を放射する光源と、
前記放射した光波が光音響伝搬媒質部を伝搬して反射した光波を受信し、受信した光波から前記音波の音圧を求める検出部とを備え、
前記光音響伝搬媒質部の密度ρn、前記光音響伝搬媒質部における音速Cn、前記音響導波路を満たす気体の密度ρa、及び前記音響導波路を満たす気体における音速Caが、(ρa/ρn)<(Cn/Ca)<1の関係を満たし、
前記導波路の第1の開口部から、前記透過面上の前記超音波の伝搬方向に沿った任意の位置に設定した点Pまでの導波路の長さをLaとし、前記点Pから前記収束点までの長さをLnとしたとき、点Pの位置にかかわらず、La/Ca+Ln/Cnが一定である
マイクロフォン。
A microphone that receives a sound wave propagating through a surrounding space filled with an environmental fluid,
A first opening into which the sound wave is incident;
An acoustic waveguide through which a sound wave incident from the first opening propagates;
A photoacoustic propagation medium portion provided in the waveguide so that the transmission surface forms one surface of the acoustic waveguide along a propagation direction of the ultrasonic wave, the transmission surface comprising: As the light propagates, a part of the ultrasonic wave is transmitted from the transmission surface to the propagation medium portion and converges to a predetermined convergence point, and is disposed with respect to the waveguide. A photoacoustic propagation medium section;
A light source that emits a light wave toward the convergence point;
A detector that receives the reflected light wave propagating through the photoacoustic propagation medium portion and that obtains the sound pressure of the sound wave from the received light wave;
The density ρ n of the photoacoustic propagation medium portion, the sound velocity C n in the photoacoustic propagation medium portion, the density ρ a of the gas filling the acoustic waveguide, and the sound velocity C a in the gas filling the acoustic waveguide are (ρ a / ρ n ) <(C n / C a ) <1
Wherein the first opening of the waveguide, the length of the waveguide to P the point set to any position along the propagation direction of the ultrasonic wave on the transmitting surface and L a, wherein from the point P A microphone in which L a / C a + L n / C n is constant regardless of the position of the point P, where L n is the length to the convergence point.
前記光音響伝搬媒質部は、無機酸化物又は有機高分子の乾燥ゲルから構成されている、
請求項1に記載の光学式超音波マイクロフォン。
The photoacoustic propagation medium part is composed of a dry gel of an inorganic oxide or an organic polymer,
The optical ultrasonic microphone according to claim 1.
前記乾燥ゲルは、密度100kg/m3以上、音速300m/s以下の物性を有する、
請求項2に記載の光学式超音波マイクロフォン。
The dry gel has physical properties of a density of 100 kg / m 3 or more and a sound velocity of 300 m / s or less.
The optical ultrasonic microphone according to claim 2.
前記乾燥ゲルの固体骨格部は疎水化されている、
請求項2又は3に記載の光学式超音波マイクロフォン。
The solid skeleton of the dried gel is hydrophobized,
The optical ultrasonic microphone according to claim 2 or 3.
前記光源はレーザ光源であり、レーザ光を発射する、
請求項1から4のいずれか1つに記載の光学式超音波マイクロフォン。
The light source is a laser light source and emits laser light;
The optical ultrasonic microphone according to any one of claims 1 to 4.
前記光源及び前記検出部は、レーザドプラー検出手段で構成されている、
請求項5に記載の光学式超音波マイクロフォン。
The light source and the detection unit are configured by laser Doppler detection means.
The optical ultrasonic microphone according to claim 5.
前記光源及び前記検出部は、マッハツェンダー型光干渉計で構成されている、
請求項1から4のいずれか1つに記載の光学式超音波マイクロフォン。
The light source and the detection unit are configured with a Mach-Zehnder optical interferometer,
The optical ultrasonic microphone according to any one of claims 1 to 4.
前記マッハツェンダー型光干渉計において、
前記光源から出射される前記光波は1本の光線であり、
さらに、前記1本の光線を2本の光線に分割するビームスプリッタを有し、
前記ビームスプリッタで分割された2本の光線の一方のみが前記収束点を通過し、その後前記2本の光線の残り一方の光線と干渉させ、
前記検出部は、前記干渉させた光の強度の変化に基づいて、前記音波の音圧を求める、
請求項7に記載の光学式超音波マイクロフォン。
In the Mach-Zehnder type optical interferometer,
The light wave emitted from the light source is a single light beam,
And a beam splitter that splits the one light beam into two light beams,
Only one of the two light beams split by the beam splitter passes through the convergence point and then interferes with the remaining one of the two light beams,
The detection unit obtains a sound pressure of the sound wave based on a change in intensity of the interfered light;
The optical ultrasonic microphone according to claim 7.
前記2本の光線の光路長の差が、前記光源から出射される前記光波のコヒーレント長に概ね等しい、
請求項8に記載の光学式超音波マイクロフォン。
A difference in optical path length between the two light beams is approximately equal to a coherent length of the light wave emitted from the light source;
The optical ultrasonic microphone according to claim 8.
前記マッハツェンダー型光干渉計において、
前記光源から出射される前記光波は1本の光線であり、かつ、前記1本の光線は、周波数が異なり、偏波面が直交する2つの直線偏波単色光からなり、
さらに、前記1本の光線を2本の光線に分割するビームスプリッタを有し、
前記ビームスプリッタで分割された2本の光線の一方のみが前記収束点を通過し、その後前記2本の光線の残り一方の光線と干渉させ、
前記検出部は、前記干渉させた光の強度の変化に基づいて、前記音波の音圧を求める、
請求項7に記載の光学式超音波マイクロフォン。
In the Mach-Zehnder type optical interferometer,
The light wave emitted from the light source is one light beam, and the one light beam is composed of two linearly polarized monochromatic lights having different frequencies and orthogonal polarization planes,
And a beam splitter that splits the one light beam into two light beams,
Only one of the two light beams split by the beam splitter passes through the convergence point and then interferes with the remaining one of the two light beams,
The detection unit obtains a sound pressure of the sound wave based on a change in intensity of the interfered light;
The optical ultrasonic microphone according to claim 7.
前記検出手段は、複数のマッハツェンダー型光干渉計を有し、
前記複数のマッハツェンダー型光干渉計の少なくとも1つは基準干渉計で、残りは計測干渉計であり
前記基準干渉計で検出される光波は前記収束点を経由させず、
前記計測干渉計で検出される光波光路は前記収束点を経由させ、
前記基準干渉計から出力される干渉光強度と、前記計測干渉計から出力される干渉光の強度の位相差を検出する、
請求項10に記載の光学式超音波マイクロフォン。
The detection means has a plurality of Mach-Zehnder optical interferometers,
At least one of the plurality of Mach-Zehnder optical interferometers is a reference interferometer, the rest is a measurement interferometer, and the light wave detected by the reference interferometer does not pass through the convergence point,
The lightwave path detected by the measurement interferometer passes through the convergence point,
Detecting the phase difference between the intensity of the interference light output from the reference interferometer and the intensity of the interference light output from the measurement interferometer;
The optical ultrasonic microphone according to claim 10.
前記2本の光線が空気以外の媒質中を伝搬する、
請求項8から12のいずれか1つに記載の光学式超音波マイクロフォン。
The two rays propagate in a medium other than air,
The optical ultrasonic microphone according to any one of claims 8 to 12.
前記音響導波路の前記第1の開口部の前端に音響ホーンが接続されている、請求項1から12のいずれか1つに記載の光学式超音波マイクロフォン。   The optical ultrasonic microphone according to any one of claims 1 to 12, wherein an acoustic horn is connected to a front end of the first opening of the acoustic waveguide. 前記音響導波路の高さ及び幅が、前記マイクロフォンで受波する超音波の波長の1/2以下である、
請求項1から13のいずれか1つに記載の光学式超音波マイクロフォン。
The height and width of the acoustic waveguide are ½ or less of the wavelength of the ultrasonic wave received by the microphone.
The optical ultrasonic microphone according to any one of claims 1 to 13.
前記音響導波路の高さが、前記音響導波路の終端側に向かって減少するように前記音響導波路が前記ベースと前記光音響伝搬媒質部とにより構成されている、
請求項1から14のいずれか1つに記載の光学式超音波マイクロフォン。
The acoustic waveguide is configured by the base and the photoacoustic propagation medium portion so that the height of the acoustic waveguide decreases toward the end side of the acoustic waveguide.
The optical ultrasonic microphone according to any one of claims 1 to 14.
前記環境流体は空気である、
請求項1から15のいずれか1つに記載の光学式超音波マイクロフォン。
The environmental fluid is air;
The optical ultrasonic microphone according to any one of claims 1 to 15.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2023002554A1 (en) * 2021-07-20 2023-01-26 日本電信電話株式会社 Acoustic characteristic calculating device, acoustic characteristic calculating method, and program

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