JPH06178394A - レーザマイクロホン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 通常の環境下はもとより、人間の近寄れない
危険な環境における機械的振動に応動するＡＥ現象とし
て、音響周波数によって精確且つ敏速に計測可能なレー
ザマイクロホン。 【構成】 被計測部位に対面する振動体５１の裏面に反
射体８を貼着して、比重の大なる耐温度性の良好な支持
体内に張設し、レーザ光源３１からのレーザ光ビーム
を、光ファイバケーブル６を介して照射するとともに、
該反射体に反射した該レーザ光を該光ファイバケーブル
を経由して、振動音圧を音響周波数に変換し、計測す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、通常の環境及び高温又
は危険環境における被計測部位の振動に応動する音響放
射を、レーザ光及び光ファイバケーブルを利用して検知
器するレーザマイクロホンに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、無機物の変形又は破壊が発生す
る際には、そこに蓄積されてきた歪エネルギが開放され
て、聴覚上感じ得る弾性振動波となって四方に伝播する
ＡＥ（アコースティック・エミッション）現象のあるこ
とが知られている。このＡＥを検出するのに従来、例え
ばチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とした圧電セラミック
スをセンサとして用い、前記変形、破壊に基因して発生
する機械的歪の音響放射データを収集して例えば、構造
物の破壊の予知、非破壊検査及び地震に伴う機械的振動
の計測等に利用することができる。

【０００３】ところで、前記圧電セラミックスは、振動
する主面の両側に銀電極が焼付けられ、厚み方向へ分極
させて周波数特性を良好にし、主として縦波振動を検出
する薄い結晶構造に形成されている。この圧電素子自体
が脆弱であるので、緩衝材によって衝撃から保護しなく
てはならないものである。そして前記圧電セラミックス
をセンサとして用いる場合、このセンサを被試験体の両
端面に装着し、例えばパルス発生器又は超音波変換アナ
ライザをＡＥ音源として、一方の圧電セラミックスに給
送して加振することによってＡＥ波を発生させ、他方の
圧電セラミックスによって反射した該ＡＥ波を検出し、
メモリスコープ又は高速アナライザ等によって検出デー
タを記憶、分析して、周波数毎の強度分布を算出する手
法がとられている。

【０００４】前記従来のＡＥ計測のための検知装置は、
その構造並びに性能上から被試験体の設置環境が精々常
温近辺の狭い温度範囲の緩やかな環境下でしか使用する
ことができず、少なくとも零度以下５０℃や５００℃以
上もの高、低温度環境であったり、人間が近寄れない例
えば、溶鉱炉や火山の火口付近のような危険な環境下で
は実施ができなく、更に圧電検出素子を発振と検出に２
組用いて、しかも脆弱な薄い圧電素子に緩衝体による保
護策を講じなくてはならないために、構造上並びに環境
適応上、技術的に未解決の問題が残されているだけでな
く、圧電素子を直接励振するための電気的回路に接続す
る方式をとるために、圧電素子に加える振動エネルギの
調節が難しく、検出データの伝送速度も遅く精度上劣る
欠点があった。

【０００５】一方、地震は地面下の断層に沿って岩石が
剪断される時に発生する振動に基因して起こり、その振
動波の１つは縦波又は疎密波と言われて進行方向に振動
しつつ伝播する一次波、もう１つは縦波より若干遅い横
波又は捩れ波で、進行方向に垂直面内で振動しつつ伝播
する二次波があって、地球の内奥部まで伝播していくも
のとみられ、振動波は地下の境界で反射、屈折を繰返し
ながら、様々な地震波となって地層の境界面に到達する
と、二次的な表面波が該境界面に沿って伝播されるの
で、地震発生に伴って地面下から伝播してくる振動波を
従来、精々数ミクロン程度の機械的振動波として受振計
により拾い出し、自動利得制御付増幅器や必要な周波数
をもつ波のみを通過させるフィルタ、ミキサ等を組込ん
だ電気回路によって電気エレネルギとして記録計で読取
り、機械的エネルギに変換するようにしている。

【０００６】従って、地震による振動波の検知にも、前
記のような大がかりな設備と在来の電気回路が必要にな
るにも拘らず、高温や危険な環境下での使用には耐え
ず、計測精度及び能率の点でも満足な振動検出器が得ら
れなかった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は従来の欠点に
鑑みて、通常の環境下はもとより、相当に厳しい高、低
温又は危険な苛酷条件下においても、高精度に能率よく
被試験体の音響波を検出可能ならしめる音響変換器とし
てのマイクロホンを提供することを目的とするものであ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】かかる技術的課題を解決
するために、被測定部位に対面して被計測音響波に応動
する振動体を耐熱性支持体内に張設するとともに該振動
体の裏面に反射体を貼着し、レーザ光源から放射するレ
ーザビームを光ファイバケーブルの往路を経由して該反
射体に照射するとともに、反射レーザ光を該光ファイバ
ケーブルの復路端部に臨ませ、振動音圧をレーザ光の強
弱として音響周波数に変換するレーザマイクロホンとす
るものである。そして、前記振動体は非晶質のカーボン
薄膜によって形成することが好ましく、該振動体の他面
に反射効率を上げるために、１，０００℃以上の融点を
もつ金属、例えば金（Ａｕ）の蒸着膜による反射体を用
いるのがよい。更にまた前記振動体を張設する支持体と
して、比重の大な耐温度性材料、例えばセラミックスの
成型体を用いるのがよく、前記振動体と一体的に振動す
る反射体での反射レーザ光の強弱を、例えば１〜１，０
００Ｈｚの可聴覚周波数範囲の検知感度に設定する点を
特徴とするものである。

【０００９】

【作用】かかる構成に基いて、細い光ビームに狭搾可能
なレーザ光を、光ファイバケーブルを介して高速伝播さ
せることができ、被計測音響波に即応してレーザ光の高
効率且つ高速伝送の照射、反射により音響周波数の信号
に変換される。該振動体として無定形のカーボン薄膜を
用いることによって、音圧に忠実に追従させることがで
きる。又、振動体の他面に貼着する反射体として金（Ａ
ｕ）の如き１，０００℃以上もの高温融点をもつ蒸着薄
膜を用いることによって、反射効率を格段に向上させる
ことができる。更に、前記振動体を張設する支持体を、
比重の大なる耐熱、耐寒性に優れた剛体、例えばセラミ
ックスの成型体とすることによって、被計測部位での機
械的振動に対して共振を起こすことなく重量的に安定し
ており、耐食性をも兼備した環境順応性に優れ、機械的
に強固に保護する支持機能を発揮するものである。更に
又、音圧として検出された振動に応動する音響周波数
を、聴感上明瞭に識別できる可聴周波数範囲内に設定す
ることによって、信頼度の高い計測データに変換でき、
その処理が簡易に行なえる。

【００１０】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の好適な実施例
を例示的に詳しく説明する。但し、この実施例に記載さ
れている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置な
どは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲
をそれのみに限定する趣旨はなく、単なる説明例に過ぎ
ない。

【００１１】図１は本発明に係るレーザマイクロホンの
横断平面図を表わし、ハウジング５９の一方の開口端に
嵌合させたキャップ５２の端面を被計測部位と平行に当
接するように設置される。前記ハウジング５９のほぼ中
央で同心に、環状壁を備えた有底のリング５３が嵌込ま
れ、このリング内壁と底面に亙って振動体５１を、リン
グ５４が該内壁面を押圧する如く張設してある。そして
振動の検知部となる反射体８が貼着された前記振動体の
ほぼ中心位置から前記ハウジング５９の他方の開放端側
へ貫通するレーザ光の導入、導出孔が穿設されて光ファ
イバケーブル６が連結され、往路６１と復路６２の二又
に分岐して、該振動体５１の支持体となる前記ハウジン
グ５９の他方の開口端に嵌合させたキャップ７内を貫通
させ、入力端子５７、出力端子５８に夫々接続されてい
る。前記ハウジング５９の他方の開口端には、更に光フ
ァイバケーブルの挿通穴５６及び吊下げ用フック１０を
備えたキャップ５５により覆ってレーザマイクロホン５
が構成される。なお、被計測部位に対面させる前記振動
体の被計測面からの距離は、振動の振幅、エネルギによ
って任意に調整できればよく、該振動体を張設する支持
体は、振動面に対して振動体が平行に安定配置されれ
ば、その方向は縦、横、又は斜めの何れを問わない。

【００１２】ここに、被計測部位に即応させる振動体５
１としては、従来からカーボンの微粒子間での接触抵抗
の変化を利用して音圧を音響変換するマイクロホンが周
知であるが、本発明においては、ガラス又は金属の表面
に大面積の、しかも石英とほぼ同等の硬い薄膜が形成し
易く、薄膜材料であるカーボンの種類や組合せが自由に
選択できる点で、アモルファス技術によってカーボンを
非晶質化した傷のつきにくい薄膜に形成することが、微
振動による音圧検出にも適するものとすることができ
る。

【００１３】又、前記光ファイバケーブルは、光の屈折
率の高いコア部を中心にして、小さい角度で入射された
光が反射されて該コア中を進行し、大きい角度で入射し
た光は該コア部の外周のクラッド部の外側に出てジャケ
ットで吸収される構造になっているので、前記コアの大
きさと屈折率の差に基ずいた一定の分布を保って伝播さ
れ、振動体を照射するレーザ光源を細い光ビームに狭搾
できる点で、ケーブル径からみて多モードファイバが有
利になる。

【００１４】更に薄膜の振動体が張設される支持体は、
被計測部位での機械的振動を忠実に検出できることと、
耐温度、耐食性等の計測環境に順応し、しかも共振を起
こさない材料として、比重の大きい剛体であることが望
ましく、高、低温度上、耐薬品性からもセラミックスが
最適である。因みに一般的な各種セラミックスの性質を
示せば、比重３．５〜３．９、密度２．７〜３．２５ｇ
／ｃｍ³ 、線収縮率１．７〜４．５％、熱伝導率０．０
０５〜０．０６ｃａｌ／ｃｍ．ｓｅｃ．℃、熱膨張係数
３〜１２×１０-6／℃の範囲にあり、１，７８０〜１，
８７５℃の焼結温度で焼成されたセラミックスを用いる
のが好ましい。なおセラミックスは反応焼結法によって
成型した場合、寸法変化が少なく有利であり、耐温度
性、耐薬品性並びに剛性ともに優れた品質が得られる。

【００１５】従って支持体として、比重が大きく耐温度
性の高いセラミックスを使うことによって、重量的に安
定するのみか、薄い振動体を熱的、機械的に保護し、例
えば火山の火口付近や溶鉱炉の近辺、或いは厳寒の苛酷
な温度環境下にある振動部位に対しても安定に対面配置
でき、遠隔計測に適した配置とするすることもできる。

【００１６】次に図２は、本発明の実施例を示すシステ
ムの系統図で、レーザマイクロホン５が設置された例え
ば５００ｍの遠隔にある被計測地点まで、計測の都度ケ
ーブル巻取リールから光ファイバケーブル６が繰出さ
れ、ＩＦユニット３内の半導体レーザ光源３１から光フ
ァイバケーブル６の往路６１を経由して、前記レーザマ
イクロホン５に照射光（レーザ光ビーム）が伝送され、
機械的振動に応動した反射レーザ光が光ファイバケーブ
ル６の復路６２を経由して前記ＩＦユニット３内の光電
変換素子（フォトトランジスタ）３３に帰還され、差動
増幅器３４を経たアナログ信号をＩ／Ｏ拡張ユニット１
２を含むデータ処理装置１内のマイコン１１により数値
解析している。前記被計測地点が遠隔にある場合に限ら
ず、通常の環境下にある被計測物体に近接して本発明の
レーザマイクロホンを設置し、振動検出し得ることは言
うまでもない。

【００１７】

【発明の効果】以上記載した如く本発明によれば、振動
の検出器に対する照射光の発振及び反射に高精度且つ容
易に調整可能なレーザ光線を用い、照射及び検出の光信
号をそのまま光ファイバケーブルによって伝送するた
め、機械的振動の検出を高精度のレーザ光を精確に照射
でき且つ忠実に検出することができるとともに、検出デ
ータを高能率に伝送収集することが可能になる。更にレ
ーザ光を照射する１つの検出用振動体を、反射体として
も機能させることができるとともに、検出部を耐環境性
支持体内に保護して張設することができ、結局、人間の
近寄れない危険で苛酷な環境に設置することも可能にな
る等、著効を奏するものである。又更に、干渉性に優れ
るレーザ光源を用いることにより、光ファイバケーブル
の先端から狭搾されたビームスポットとして精確に照射
でき、しかも反射効率の高い耐熱性の金属薄層を振動体
と一体的に貼着してあるので、被測定部位での振動に即
応したリアルタイムの検出データを収集することが可能
になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るレーザマイクロホンの横断平面図
を表す。

【図２】本発明の実施例を説明するＡＥ検知システムの
系統図を表す。

【符号の説明】

３１ レーザ光源 ５ レーザマイクロホン ５１ 振動体 ５９ ハウジング ６ 光ファイバケーブル ８ 反射体

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】機械的振動を音響変換して音圧を計測する
   装置において、被計測音響波に対面して応動する振動体
   を、その裏面に反射体を貼着して支持体内に張設し、該
   反射体にレーザ光源からの光ビームを、光ファイバケー
   ブルの往路を介して照射するとともに、該光ファイバケ
   ーブルの復路を経て反射光を振動の強弱に変換された音
   圧として音響周波数により計測することを特徴とするレ
   ーザマイクロホン。
2. 【請求項２】前記振動体が、非晶質のカーボン薄膜から
   なることを特徴とする請求項１に記載のレーザマイクロ
   ホン。
3. 【請求項３】前記反射体が、金属の蒸着膜よりなること
   を特徴とする請求項１に記載のレーザマイクロホン。
4. 【請求項４】前記支持体が、比重の大なる耐温度性材料
   よりなることを特徴とする請求項１に記載のレーザマイ
   クロホン。
5. 【請求項５】前記音響周波数が可聴周波数範囲の検知感
   度に設定されたことを特徴とするレーザマイクロホン。