Оптоволоконные микрофоны

При проведении прямых акустических измерений в условиях агрессивной окружаю­щей среды, например, в турбореактивных или ракетных двигателях, требуются дат­чики, способные выдерживать высокие температуры нагрева и сильные вибрации. Данные результатов измере­ний, проведенных в таких неблагоприятных условиях, необходимы для гидродинамических расчетов, акустического тестирования конст­рукций и определения уровня шума двигателей. Для этих целей наилучшим образом подходят оптоволоконные интерферометрические микро­фоны. На рис. 2 приведен пример одного из таких устройств, состоящего из одномодового ин­терферометра Майкельсона и пло­ской отражающей диафрагмы. Ин­терферометр отслеживает от­кло­нения диафрагмы, которые напря­мую связаны с величиной акусти­ческого давле­ния. Датчик все время охлаждается водой для обеспечения защиты от перегрева оп­тических материалов и для ста­билизации механических свойств диафрагмы.

Для получения интерференции между падающими и отраженными лу­чами света два световода соединяются вместе методом сплавления и на не­большом участке разъединяются, обра­зуя клин. Световоды поме­щены в трубку из нержавеющей стали, охлаждаемую водой. Внутреннее пространство трубки заполняется эпоксид­ной смолой, а конец трубки тщательно полируется так, чтобы были видны оп­товолокна. На часть другого конца труб­ки (тот, на котором световоды соединены вместе) наносится слой алюминия, формирую­щий отражающее зеркало. Открытая половина световода является чувствительной частью микрофона, а закрытая - эталонной. Такой датчик обладает очень низкой температурной чувствительностью, что достигается близким расположением другк другу чувствительной и эталонной частей конструкции.

Излучение лазера (лазерного диода, работающего на длине волны 1.3 мкм) по­падает в один из световодов и проходит через место соединения с другим оптово­локном на конец трубки. Часть излучения отражается от алюминиевого зеркала, а часть выходит за пределы световода и частично отражается от диафрагмы. Часть отраженного излучения, попавшего в выходной световод, доходит до поверхности детектора. В зависимости от положения диафрагмы будет меняться фазовый сдвиг между сигналами, отраженными от алюминиевого зеркала и медной диафрагмы.

На пути к детектору эти две отраженных волны интерферируют друг с другом, что приводит к модуляции интенсивности света, поступающего на детектор. Таким образом микрофон преобразует перемещение диафрагмы в интенсивность света. Теоретически, коэффициент сигнал/шум такого датчика составляет порядка 70-80 дБ, что позволяет детектировать перемещение диафрагмы, равное l (10^-10 м).

На рис.3 показана типовая зависимость оптической интенсивности детекто­ра от фазы интерференционного сигнала. Для получения линейной передаточной фун­кции рабочую точку необходимо выбирать вблизи середины интервала интенсивнос­ти, где наблюдается максимальная чувствительность и наилучшая линейность. Поло­жение рабочей точки и величина наклона регулируются при помощи подстройки дли­ны волны лазерного диода. Для сохранения пропорциональности датчика необходи­мо, чтобы отклонение диафрагмы не превышало четверти рабочей длины волны.

Диафрагма диаметром 1.25 мм изготавливается из медной фольги толщиной 0.05 мм. Использование меди обусловлено ее хорошей теплопроводностью и сравнитель­но низким коэффициентом упругости. Небольшой модуль упругости позволяет из­готавливать более толстые диафрагмы, обеспечивающие лучшую теплоотдачу при со­хранении таких же собственных частот и отклонений. Давление 1.4 кПа приводит к отклонению центральной части диафрагмы на 39 нм, что гораздо меньше четверти рабочей длины волны (1300 нм). Максимальная частота, которая может быть приня­та оптическим микрофоном, ограничена 100 кГц, что намного превышает требуемый рабочий диапазон при проведении акустического тестирования конструкций.