專利名稱：光學(xué)麥克的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將在空氣等的氣體中傳播的聲波接收、且通過光的利用將接收到的聲波轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的光學(xué)麥克。
背景技術(shù)：
作為將聲波接收且轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置，歷來已知有麥克風(fēng)。動(dòng)圈式麥克和電容式麥克所代表的大部分麥克會(huì)具備振動(dòng)板。在這些麥克中，通過聲波使振動(dòng)板振動(dòng)而得以接收，且將該振動(dòng)作為電信號(hào)而加以提取。就這種麥克而言，因?yàn)榫哂袡C(jī)械的振動(dòng)部，所以多次、反復(fù)使用而使機(jī)械的振動(dòng)部的特性發(fā)生變化的可能性存在。另外，若要用麥克檢測非常強(qiáng)力的聲波，則振動(dòng)部破壞的可能性存在。 為了將這樣現(xiàn)有的具有機(jī)械的振動(dòng)部的麥克的課題消除，例如在專利文獻(xiàn)I和專利文獻(xiàn)2中公開有ー種光學(xué)麥克,其不具有機(jī)械的振動(dòng)部、而通過光波的利用來進(jìn)行聲波檢測。例如專利文獻(xiàn)I公開有ー種方法，其通過使光經(jīng)由聲波得以調(diào)制而檢測光的調(diào)制成分，來進(jìn)行聲波檢測。具體來說，如圖15所示，使采用出射系統(tǒng)光學(xué)元件101進(jìn)行了整形的激光作用于在空氣中傳播的聲波5，而使衍射光產(chǎn)生。這時(shí)，相位彼此反轉(zhuǎn)的2個(gè)衍射光成分產(chǎn)生。衍射光由光接收系統(tǒng)光學(xué)元件102調(diào)整后，僅2個(gè)衍射光成分的任意一方由光ニ極管103接收，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，由此檢測聲波5。另外，專利文獻(xiàn)2公開有ー種方法，其通過使聲波在介質(zhì)中傳播、且檢測介質(zhì)的光學(xué)的特性的變化，由此檢測聲波。如圖16所示，在空氣中傳播的聲波5從孔徑部201被導(dǎo)入，在壁面的至少一部分由光聲傳播介質(zhì)203所形成的聲波導(dǎo)路202中行進(jìn)。在聲波導(dǎo)路202行進(jìn)的聲波被導(dǎo)入至光聲傳播介質(zhì)203、且在其內(nèi)部傳播。在光聲傳播介質(zhì)203中，隨著聲波的傳播，折射率發(fā)生變化。使用激光多普勒振動(dòng)計(jì)204將該折射率變化作為光調(diào)制進(jìn)行提取，由此檢測聲波5。并且，專利文獻(xiàn)2公開了作為光聲傳播介質(zhì)203使用ニ氧化硅干凝膠，由此能夠?qū)⒉▽?dǎo)路中的聲波高效率地導(dǎo)入到光聲傳播介質(zhì)203的內(nèi)部。先行技術(shù)文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)I :特開平8-265262號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2 :特開2009-085868號(hào)公報(bào)在專利文獻(xiàn)I的光學(xué)麥克中，需要對(duì)因聲波產(chǎn)生的衍射光進(jìn)行檢測。但是其存在如下課題由于衍射光產(chǎn)生的角度依存于聲波的頻率，所以對(duì)應(yīng)檢測出的聲波的頻率，麥克的靈敏度會(huì)發(fā)生變化。另外，在專利文獻(xiàn)2的方法中使用激光多普勒振動(dòng)計(jì)。就激光多普勒振動(dòng)計(jì)而言，由于需要聲光元件等的光移頻器、和由大量的反射鏡、分光鏡、透鏡等構(gòu)成的復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)，所以大型。因此，專利文獻(xiàn)2所公開的測量裝置整體上很大的課題就存在。

發(fā)明內(nèi)容
本申請鑒于這樣的現(xiàn)有技術(shù)的課題而作成的，其目的在干，提供一種靈敏度不依存于聲波的頻率的光學(xué)麥克，該光學(xué)麥克不使用激光多普勒振動(dòng)計(jì)等，有小型且簡單的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的光學(xué)麥克，是通過光波的使用將環(huán)境流體傳播的聲波檢測出的光學(xué)麥克，其中，具有所述聲波進(jìn)行傳播的傳播介質(zhì)部；出射透過所述傳播介質(zhì)部中的衍射區(qū)域的光波的光源；檢測透過所述傳播介質(zhì)部的所述光波、且輸出電信號(hào)的光電轉(zhuǎn)換部，并且，使作為所述聲波的一部分的第一聲波和作為另外至少一部分的第二聲波，同時(shí)刻到達(dá)所述衍射區(qū)域、且以橫穿透過所述衍射區(qū)域的所述光波的方式相互平行地且沿相反方向地在所述傳播介質(zhì)部分別傳播，在所述衍射區(qū)域中，由于隨著所述第一聲波和所述第二聲波的傳 播而分別產(chǎn)生的構(gòu)成所述傳播介質(zhì)部的傳播介質(zhì)的折射率分布，而使所述光波的+1次衍射光波和-I次衍射光波分別生成，所述光電轉(zhuǎn)換部檢測如下干渉成分之中的至少一方基于所述第一聲波的所述光波的+1次衍射光波和基于所述第二聲波的所述光波的-I次衍射光波的干涉成分；基于所述第一聲波的所述光波的-I次衍射光波和基于所述第二聲波的所述光波的+1次衍射光波的其他干渉成分。在有的優(yōu)選的實(shí)施方式中，光學(xué)麥克還具有頻率轉(zhuǎn)換部，其將由所述光電轉(zhuǎn)換部得到的電信號(hào)的頻率變成1/2倍。在有的優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述光電轉(zhuǎn)換部按照相對(duì)于透過所述衍射區(qū)域的光波而沿著所述第一聲波和所述第二聲波傳播的方向偏移的方式配置，僅檢測基于所述第一聲波的所述光波的+1次衍射光波與基于所述第二聲波的所述光波的-I次衍射光波的干涉成分、以及基于所述第一聲波的所述光波的-I次衍射光波與基于所述第二聲波的所述光波的+1次衍射光波的其他的干涉成分之一方。在有的優(yōu)選的實(shí)施方式中，光學(xué)麥克還具有遮蔽部，其位于所述光電轉(zhuǎn)換部和所述傳播介質(zhì)部中的衍射區(qū)域之間，以透過所述衍射區(qū)域的光波的一部分或全部不會(huì)入射所述光電轉(zhuǎn)換部的方式將透過所述衍射區(qū)域的光波遮蔽。在有的優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述第一聲波和所述第二聲波透過所述衍射區(qū)域的同ー處所。在有的優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述第一聲波和所述第二聲波透過所述衍射區(qū)域的互不相同的處所。在有的優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述傳播介質(zhì)部包含第一傳播介質(zhì)部分和第二傳播介質(zhì)部分，所述衍射區(qū)域包含分別位于所述第一傳播介質(zhì)部分和第二傳播介質(zhì)部分的第一衍射區(qū)域部分和第二衍射區(qū)域部分，所述第一衍射區(qū)域部分和所述第二衍射區(qū)域部分在所述光源和所述光電轉(zhuǎn)換部之間被重疊配置。在有的優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述傳播介質(zhì)部具有比空氣小的音速、且由固體的傳播介質(zhì)構(gòu)成。在有的優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述傳播介質(zhì)由ニ氧化硅干凝膠構(gòu)成。在有的優(yōu)選的實(shí)施方式中，光學(xué)麥克還具有在所述傳播介質(zhì)和所述光電轉(zhuǎn)換部之間，使所述光波的+1次衍射光波和-I次衍射光波的傳播方向變化的光學(xué)元件。 在有的優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述傳播介質(zhì)部具有彼此相対、且所述第一聲波和所述第二聲波分別入射的第一和第二輸入孔徑面。在有的優(yōu)選的實(shí)施方式中，在所述傳播介質(zhì)部，所述第一和第二輸入孔徑面的位置，距所述衍射區(qū)域距離相等。在有的優(yōu)選的實(shí)施方式中，光學(xué)麥克還具有波導(dǎo)路結(jié)構(gòu)，該波導(dǎo)路結(jié)構(gòu)具有面對(duì)同一方向的第一和第二輸入孔徑；彼此對(duì)置的第一和第二輸出孔徑；在所述第一與第二輸入孔徑和所述第一與第二輸出孔徑之間所分別設(shè)置的第一和第二波導(dǎo)路，并且所述波導(dǎo)路結(jié)構(gòu)中，將從所述第一輸入孔徑入射的所述第一聲波和從所述第二輸入孔徑入射的所述第ニ聲波分別向所述第一和第二輸出孔徑引導(dǎo)，所述波導(dǎo)路結(jié)構(gòu)的所述第一和第二輸出孔徑被配置在所述傳播介質(zhì)部的所述第一和第二輸入孔徑面。在有的優(yōu)選的實(shí)施方式中，所述第一和第二波導(dǎo)路在所述波導(dǎo)路結(jié)構(gòu)中被對(duì)稱配置。在有的優(yōu)選的實(shí)施方式中，光學(xué)麥克還具有與所述波導(dǎo)路結(jié)構(gòu)的第一和第二輸出孔徑連接的喇叭探頭(ホーン)。本發(fā)明的聲波檢測方法，是通過光波的使用將環(huán)境流體中傳播的聲波檢測出的聲波檢測方法，其中，包括如下步驟使作為所述聲波的一部分的第一聲波和另外至少一部分的第二聲波，以同時(shí)到達(dá)傳播介質(zhì)部的衍射區(qū)域方式，相互平行地且沿相反方向地在所述傳播介質(zhì)部中分別傳播的步驟；在所述傳播介質(zhì)部的所述衍射區(qū)域，以橫穿所述傳播的第一聲波和所述第二聲波的方式使光波透過，在所述衍射區(qū)域，由于隨著所述第一聲波和所述第二聲波的傳播而分別產(chǎn)生的構(gòu)成所述傳播介質(zhì)部的傳播介質(zhì)的折射率分布，而使所述光波的+1次衍射光波和-I次衍射光波分別生成的步驟；基于所述第一聲波的所述光波的+1次衍射光波與基于所述第二聲波的所述光波的-I次衍射光波的干渉成分、以及基于所述第一聲波的所述光波的-I次衍射光波一基于所述第二聲波的所述光波的+1次衍射光波的其他的干涉成分之中的至少一方得以檢測的步驟。根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)麥克，使作為應(yīng)該檢測的聲波的一部分的第一聲波和作為另外一部分的第二聲波，在同一時(shí)刻、以橫穿透過傳播介質(zhì)部的光波的方式，相互平行地且沿相反方向地在傳播介質(zhì)部分別傳播。因此，基于第一聲波的+1次衍射光波和基于第二聲波的-I次衍射光波，或者，基于第一聲波的-I次衍射光波和基于第二聲波的+1次衍射光波，不論聲波的頻率，都會(huì)以相同的衍射角進(jìn)行衍射。因此，+1次衍射光波和-I次衍射光波的干渉成分不論聲波的頻率而會(huì)保持固定，由此實(shí)現(xiàn)不論聲波的頻率而能夠以固定的檢測靈敏度檢測聲波的光學(xué)麥克。


圖I是表不本發(fā)明的光學(xué)麥克的ー個(gè)實(shí)施方式的構(gòu)成的圖。圖2(a)和(b)是圖I所示的光學(xué)麥克的剖面圖，(a)表示第一和第二聲波入射傳播介質(zhì)部的情況，(b)是表示第一和第二聲波在傳播介質(zhì)部傳播、且生成±1次衍射光波的情況的圖。圖3是表示能夠用于光學(xué)麥克的波導(dǎo)路結(jié)構(gòu)的模式化的立體圖。圖4是表示內(nèi)置有傳播介質(zhì)部的波導(dǎo)路結(jié)構(gòu)的一例的模式化的立體圖。
圖5是表示內(nèi)置有傳播介質(zhì)部的波導(dǎo)路結(jié)構(gòu)的另一例的模式化的立體圖。
圖6(a)和(b)是說明衍射區(qū)域的位置的調(diào)整的圖。圖7(a)是表示傳播介質(zhì)部的衍射區(qū)域中基于第一聲波的光波的衍射的圖，(b)是表不傳播介質(zhì)部的衍射區(qū)域中基于第二聲波的光波的衍射的圖。圖8(a)和(b)是表示沿著從光源出射的光波的光軸看，光波的O次衍射光波和± I次衍射光波的位置的圖。圖9(a)和(b)是說明第一和第二聲波的傳播的模式圖。圖10(a)至(C)是說明在本光學(xué)麥克中得到的光信號(hào)和電信號(hào)的圖。圖11是表示在圖I的光學(xué)麥克中，遮蔽O次衍射光波的結(jié)構(gòu)的模式圖。圖12是表在圖I的光學(xué)麥克中,在傳播介質(zhì)部和光電轉(zhuǎn)換部之間設(shè)置光學(xué)兀件 的結(jié)構(gòu)的模式圖。圖13是表示由2個(gè)傳播介質(zhì)部構(gòu)成的光學(xué)麥克的圖。圖14是表不圖13的光學(xué)麥克的衍射光波的位置關(guān)系的圖。圖15是概略性地表示現(xiàn)有的光學(xué)麥克的構(gòu)成的圖。圖16是表不現(xiàn)有的另一光學(xué)麥克的構(gòu)成的圖。
具體實(shí)施例方式以下,一邊參照附圖,ー邊說明本發(fā)明的光學(xué)麥克的實(shí)施方式。圖I表不本實(shí)施方式的光學(xué)麥克100的主要部分的構(gòu)成。光學(xué)麥克100是將在環(huán)境流體中傳播的聲波5通過光波的使用作為電信號(hào)加以檢測的麥克。在此，所謂“環(huán)境流體”表示在光學(xué)麥克100的外部空間所存在的流體。例如，環(huán)境流體是空氣。光學(xué)麥克100具有傳播介質(zhì)部I、光源2、光電轉(zhuǎn)換部4。在光學(xué)麥克100中，使聲波5傳播至傳播介質(zhì)部I中、且在傳播介質(zhì)部I中與由光源2輸出的光波3發(fā)生作用，由此在透過傳播介質(zhì)部I的光波上重疊聲波5的信息，將光波3由光電轉(zhuǎn)換部4轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，從而將聲波5作為電信號(hào)加以檢測。光學(xué)麥克100其特征之ー是,將聲波5分成作為其ー部分的第一聲波5a和作為另外至少一部分的第二聲波5b,使第一聲波5a和第二聲波5b相互平行且沿相反方向在傳播介質(zhì)部I中分別傳播、且與光波3發(fā)生作用。以下，具體說明光學(xué)麥克100的各構(gòu)成要素。以下，為了容易領(lǐng)會(huì)，如圖I所示這樣設(shè)定坐標(biāo)。具體來說，就是將聲波5傳播的方向設(shè)為X軸，將光波3傳播的方向設(shè)為z軸。另外，將與X軸和z軸正交的方向設(shè)為y軸。(傳播介質(zhì)部I)圖2(a)是圖I的x-z平面，是光波3傳播的面中的光學(xué)麥克100的剖面圖，模式化地表示聲波5經(jīng)由環(huán)境流體入射傳播介質(zhì)部I的情況。就傳播介質(zhì)部I而言，其具有第一聲波5a和第二聲波5b入射的第一輸入孔徑面6a和第二輸入孔徑面6b。第一輸入孔徑面6a和第二輸入孔徑面6b是彼此相對(duì)的面。另夕卜，第一輸入孔徑面6a和第二輸入孔徑面6b相互平行。如以下詳細(xì)說明，從光源2出射的光波3透過設(shè)于傳播介質(zhì)部I的衍射區(qū)域21。從第一和第二輸入孔徑面6a、6b入射的第一和第二聲波5a、5b,在衍射區(qū)域21相互平行,并且沿相反方向傳播。另外，優(yōu)選第一和第二聲波5a、5b同時(shí)到達(dá)衍射區(qū)域21。另外，優(yōu)選以橫穿光波3的方式使第一和第二聲波5a、5b傳播。
就傳播介質(zhì)部I而言，優(yōu)選由固體的傳播介質(zhì)構(gòu)成，且具有比空氣小的音速。具體來說，優(yōu)選傳播介質(zhì)部I的音速比作為空氣的音速的340m/sec小。通過使用固體材料作為傳播介質(zhì)，能夠在傳播介質(zhì)部I中得到大的衍射效果。另外，一般來說音速小的材料密度也比較小，因此空氣等的環(huán)境流體和傳播介質(zhì)部I的境界的反射小，能夠以比較高的效率將聲波導(dǎo)入到傳播介質(zhì)部I中。特別是作為傳播介質(zhì)部I的傳播介質(zhì)，優(yōu)選使用ニ氧化硅干凝膠，ニ氧化硅干凝膠具有與空氣的聲阻抗之差小這樣的性質(zhì)，能夠?qū)⒃诳諝庵袀鞑サ牡谝缓偷诙暡?a、5b高效率地導(dǎo)入到由ニ氧化硅干凝膠構(gòu)成的傳播介質(zhì)部I的內(nèi)部。具體來說，ニ氧化硅干凝膠的音速為50 150m/sec，比空氣中的音速340m/sec小，另外密度也小，大約70 280kg/m3。因此，與空氣的聲阻抗之差小，在界面的反射小，所以能夠?qū)⒖諝庵械穆暡ǜ咝实貙?dǎo)入到內(nèi)部。例如，若使用音速50m/sec,密度100kg/m3的ニ氧化娃干凝膠,則與空氣的界面的反射為70%，聲波的能量的30%左右不會(huì)被界面反射，而是導(dǎo)入到內(nèi)部。另外，該ニ氧化硅干凝膠具有光波的折射率變化量Δη也大這一特長?？諝獾恼凵渎首兓喀う窍鄬?duì)于IPa的聲壓變化為2. OX 10_9，相對(duì)于此，ニ氧化硅干凝膠相對(duì)于IPa的聲壓變化的折射率變化 量Λη高達(dá)1.0Χ10_7左右。因此，即使不準(zhǔn)備超過IOcm這樣大的傳播介質(zhì)，也能夠得到充分的靈敏度。(聲波5)聲波5如上述,使之作為第一聲波5a和第二聲波5b入射傳播介質(zhì)部I。如圖2(a)所不，優(yōu)選第一聲波5a和第二聲波5b相互平行、并且沿著相反方向在傳播介質(zhì)部I傳播。因此，傳播介質(zhì)部I具有第一輸入孔徑面6a和第二輸入孔徑面6b，第一聲波5a和第二聲波5b從第一輸入孔徑面6a和第二輸入孔徑面6b分別入射傳播介質(zhì)部I。另外，優(yōu)選第一聲波5a和第二聲波5b為相同頻率的聲波。在此，所謂“相同頻率”，指的是第一聲波5a和第二聲波5b為一定的頻率的連續(xù)或猝發(fā)波時(shí)，其頻率相等。另外還指的是，第一聲波5a和第二聲波5b是頻率隨著時(shí)間一起而發(fā)生變化的聲波時(shí)，在任何時(shí)刻下，第一聲波5a和第二聲波5b的頻率都一致。但是，第一聲波5a和第二聲波5b的振幅不一定需要相等，也可以不同。—般來說,從環(huán)境流體中傳播的聲波5、分波為第一聲波5a和第二聲波5b時(shí)，除非實(shí)施特別的處理，否則第一聲波5a和第二聲波5b的頻率相同。另外，第一聲波5a和第二聲波5b的相位也一致。但是，第一聲波5a和第二聲波5b的相位也可以不一致，例如也可以彼此相反。為了從聲波5將第一聲波5a和第二聲波5b生成、并輸入到傳播介質(zhì)部I中，例如圖3所示，光學(xué)麥克100也可以具有波導(dǎo)路結(jié)構(gòu)9和喇叭探頭11。喇叭探頭11具有聲波5入射的輸入孔徑Ilc和聲波5出射的輸出孔徑lid。輸入孔徑Ilc比輸出孔徑Ild大，使輸入孔徑Ilc和輸出孔徑Ild連接的側(cè)面具有喇叭形狀。因此，從輸入孔徑Ilc入射的聲波5的聲壓被提高，高聲壓的聲波5從輸出孔徑Ild出射。波導(dǎo)路結(jié)構(gòu)9具有如下第一和第二輸入孔徑10a、10b ;第一和第二輸出孔徑12a、12b ;在第一和第二輸入孔徑10a、IOb與第一和第二輸出孔徑12a、12b之間所分別設(shè)置的第一和第二波導(dǎo)路9a、9b。第一和第二波導(dǎo)路9a、9b在波導(dǎo)路結(jié)構(gòu)9中被對(duì)稱地配置。波導(dǎo)路結(jié)構(gòu)9的第一和第二輸入孔徑10a、10b面向同一方向，與喇叭探頭11的輸出孔徑Ild連接。另外，第一和第二輸出孔徑12a、12b相互平行、并對(duì)置。第一和第二輸出孔徑12a、12b分別與傳播介質(zhì)部I的第一輸入孔徑面6a和第二輸入孔徑面6b連結(jié)。從喇機(jī)探頭11的輸出孔徑Ild向波導(dǎo)路結(jié)構(gòu)9入射的聲波5,在第一和第二輸入孔徑10a、10b中被一分為ニ，作為第一聲波5a和第二聲波5b,分別在第一波導(dǎo)路9a和第二波導(dǎo)路9b中傳播，從第一和第二輸出孔徑12a、12b向傳播介質(zhì)部I以相互平行且沿著相反方向的方式入射。由此,能夠?qū)h(huán)境流體中傳播的聲波5分成第一聲波5a和第二聲波5b,分別將其沿相反方向輸入到傳播介質(zhì)部I中。另外，通過在波導(dǎo)路結(jié)構(gòu)9的前段配置喇叭探頭11，能夠更高效率地導(dǎo)入聲波5，能夠提高麥克的靈敏度。另外，也可以在波導(dǎo)路結(jié)構(gòu)的內(nèi)部配置傳播介質(zhì)部I。圖4所示的波導(dǎo)路結(jié)構(gòu)9’，具有在兩端有著第一和第二輸入孔徑10a、10b的空洞?？斩磸牡谝缓偷诙斎肟讖?0a、 IOb分別緩和地彎曲后以直線狀伸長而彼此相連。在空洞內(nèi)設(shè)有傳播介質(zhì)部I。傳播介質(zhì)部I的第一輸入孔徑面6a和第二輸入孔徑面6b，可以與波導(dǎo)路結(jié)構(gòu)9’的第一輸入孔徑面6a和第二輸入孔徑面6b—致，也可以位于波導(dǎo)路結(jié)構(gòu)9’的空洞內(nèi)而進(jìn)行配置。在空洞的直線部分配置傳播介質(zhì)部I。在環(huán)境流體中傳播的聲波5，從第一和第二輸入孔徑面6a、6b分別入射空洞內(nèi)，作為第一聲波5a和第二聲波5b沿著波導(dǎo)路結(jié)構(gòu)9’傳播,其后,在直線部分，彼此沿相反方向傳播。因此，根據(jù)波導(dǎo)路結(jié)構(gòu)9’，能夠從聲波5生成第一聲波5a和第二聲波5b,在傳播介質(zhì)部I中使第一聲波5a和第二聲波5b沿相互平行的方向且相反方向傳播。作為在波導(dǎo)路結(jié)構(gòu)的內(nèi)部配置傳播介質(zhì)部I的其他方式，光學(xué)麥克100也可以具備圖5所示的波導(dǎo)路結(jié)構(gòu)9”。波導(dǎo)路結(jié)構(gòu)9”在整體上由傳播介質(zhì)部I構(gòu)成。波導(dǎo)路結(jié)構(gòu)9”具有第一和第二輸入孔徑面6a、6b,及第一和第二反射面14a、14b。第一和第二輸入孔徑面6a、6b可以是獨(dú)立的2個(gè)孔徑，也可以是在由傳播介質(zhì)部I構(gòu)成的立體的一個(gè)面的中央部分配置隔音板13從而在隔音板13的兩端所形成的第一和第二輸入孔徑面6a、6b。第一和第二輸入孔徑面6a、6b相對(duì)于聲波5傳播的方向分別垂直設(shè)置,面向同一方向。優(yōu)選第一和第二反射面14a、14b，相對(duì)于第一和第二輸入孔徑面6a、6b分別以45°的角度配置。從相對(duì)于第一和第二輸入孔徑面6a、6b垂直的方向所輸入的聲波5，分別作為第一聲波5a、第二聲波5b在傳播介質(zhì)部I中傳播，由第一和第二反射面14a、14b反射。由此，由第一反射面14a反射的第一聲波5a和由第二反射面14b反射的第二聲波5b相互平行，并且，逆向在傳播介質(zhì)部I中傳播。使用隔音板13而使在第一聲波5a和第二聲波5b交叉的附近沒有聲波5直接輸入，由此能夠防止對(duì)第一聲波5a和第二聲波5b的檢測構(gòu)成防礙的聲波的混入，能夠高精度地對(duì)聲波5進(jìn)行檢測。還有,第一聲波5a和第二聲波5b未必一定是將環(huán)境流體中傳播的聲波5分波成兩個(gè)的。也可以把從輸出同一波形的2個(gè)不同聲源所輸出的2個(gè)聲波5分別作為第一聲波5a、第二聲波5b。(光源2)光源2如圖2(a)所不，朝向傳播介質(zhì)部I輸出光波3。光波3的波長和強(qiáng)度沒有特別制限，而是選擇光電轉(zhuǎn)換部4以良好的靈敏度能夠?qū)獠?進(jìn)行檢測的波長和強(qiáng)度。但是，優(yōu)選選擇不怎么被傳播介質(zhì)部I吸收的波長。由光源2出射的光波3被入射至傳播介質(zhì)部I的衍射區(qū)域21，如圖2 (b)所示，在傳播介質(zhì)部I中與第一聲波5a和第二聲波5b發(fā)生作用。具體來說，就是通過第一聲波5a和第二聲波5b的傳播,在傳播介質(zhì)部I的衍射區(qū)域21使傳播介質(zhì)的密度分布產(chǎn)生,而使傳播介質(zhì)的折射率分布產(chǎn)生。傳播介質(zhì)的折射率分布對(duì)于光波3而言作為衍射光柵發(fā)揮功能，使光波3發(fā)生衍射。因此,基于第一聲波5a的光波3的+1次衍射光波3a和-I次衍射光波3b,與基于第二聲波5b的光波3的+1次衍射光波3c和-I次衍射光波3d發(fā)生。以下，如說明的，因?yàn)檎凵渎史植茧S著第一聲波5a和第二聲波5b的傳播而偏移,所以衍射光波的頻率在多普勒效應(yīng)下發(fā)生頻移。作為光波3可以使用相干光，也可以使用非相干光。但是，使用激光這樣的相干光的方法，衍射光波容易發(fā)生干渉，容易檢出信號(hào)。為了得到光波3的衍射光波，優(yōu)選光波3的傳播方向與第一聲波5a和第二聲波 5b的傳播方向是非平行的，即，優(yōu)選第一聲波5a和第二聲波5b以橫穿光波3的方式進(jìn)行傳播。特別是，第一聲波5a和第二聲波5b的傳播方向與光波3的傳播方向在Xz平面垂直吋，能夠得到最高的衍射效率，作為麥克的靈敏度會(huì)提高。光波3在傳播介質(zhì)部I的透過位置，即衍射區(qū)域21的位置，優(yōu)選以使第一聲波5a和第二聲波5b同時(shí)到達(dá)衍射區(qū)域21的方式?jīng)Q定。聲波5為單ー頻率的正弦波構(gòu)成的連續(xù)波等的情況下，因?yàn)橄嗤l率的聲波連續(xù)，所以無論衍射區(qū)域21位于傳播介質(zhì)部I的哪個(gè)位置，都可以說第一聲波5a和第二聲波5b的相同聲波同時(shí)到達(dá)衍射區(qū)域21。但是，如果聲波5不是連續(xù)波，例如像圖6這樣，是單ー脈沖的猝發(fā)信號(hào)這樣的在時(shí)間上不連續(xù)的波和伴隨時(shí)間而頻率發(fā)生變化的聲波，則為了使第一聲波5a和第二聲波5b同時(shí)作用于光波3，優(yōu)選將衍射區(qū)域21設(shè)定于第一聲波5a和第二聲波5b在傳播介質(zhì)部I中交錯(cuò)重疊的位置。傳播介質(zhì)部I由均勻的傳播介質(zhì)構(gòu)成，第一聲波5a和第二聲波5b同時(shí)入射第一和第二輸入孔徑面6a、6b吋，衍射區(qū)域21的位置距第一和第二輸入孔徑面6a、6b距離相
坐寸ο第一聲波5a和第二聲波5b在不同的時(shí)刻從傳播介質(zhì)部I的第一輸入孔徑面6a和第二輸入孔徑面6b入射傳播介質(zhì)部I時(shí)，例如，能夠通過以下的方法決定衍射區(qū)域21的位置。作為一例，考慮如圖6(a)聲波5a先從第一輸入孔徑面6a入射、在其At秒后聲波5b從第二輸入孔徑面6b入射的情況。圖6 (a)和(b)分別表不單ー脈沖的第一和第二聲波5a、5b的傳播的時(shí)系變化。時(shí)間差A(yù)t的信息，可以根據(jù)從聲源至輸入孔徑面6a和6b的距離與環(huán)境流體中的聲波5的速度而計(jì)算取得，也可以通過在輸入孔徑面6a和6b的跟前配置用于調(diào)整的麥克，以計(jì)測第一和第二聲波5a、5b的到達(dá)時(shí)間而取得。在圖6(a)和(b)中，將第一輸入孔徑面6a和第二輸入孔徑面6b的距離設(shè)為W。Δ t為O吋，即聲波5a和5b同時(shí)入射傳播介質(zhì)部I的情況，如上述，在距第一和第二輸入孔徑面6a、6b等距離的位置設(shè)置衍射區(qū)域21即可。S卩，在距第一和第二輸入孔徑面6a、6b離開W/2的位置設(shè)置衍射區(qū)域21即可。At不為O時(shí)，需要使衍射區(qū)域21設(shè)置位置，從傳播介質(zhì)部I的正中的位置向輸入孔徑面6a、6b之中聲波5延遲到達(dá)的一方偏移。所偏移的距離d，在傳播介質(zhì)部I中的第一和第二聲波5a、5b的音速設(shè)為Vn時(shí)，為VnX Λ t/2。無論第一和第二聲波5a、5b是什么樣的信號(hào)，都能夠在傳播介質(zhì)部I中使第一聲波5a和第二聲波5b與光波3同時(shí)發(fā)生作用。(光電轉(zhuǎn)換部4)就光電轉(zhuǎn)換部4而言，如圖2(a)和(b)所示，位于夾隔傳播介質(zhì)部I而與光源2相反的位置，使光源2與光電轉(zhuǎn)換部4相對(duì)地配置。光電轉(zhuǎn)換部4檢測從光源2出射、且透過傳播介質(zhì)部I的衍射區(qū)域21的光波3。具體來說，光電轉(zhuǎn)換部4接收基于第一聲波5a的光波3的+1次衍射光波3a及基于第二聲波5b的光波3的-I次衍射光波3d與基于第一聲波的光波3的-I次衍射光波3b及基于第二聲波5b的光波3的+1次衍射光波3c之中至少一方，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。由光電轉(zhuǎn)換部4接收的光波3，優(yōu)選不包含O次衍射光波3e的一方。這是由于在O次衍射光波3e中不包含有關(guān)聲波的信息。但是，只要包含上述的+1次 衍射光波3a及-I次衍射光波3d與-I次衍射光波3b及+1次衍射光波3c之中至少一方，即使包含O次衍射光波3e,因?yàn)榘暡?的信息,所以仍可以檢測聲波5。為了使光電轉(zhuǎn)換部4不接收O次衍射光波3e，按照使O次衍射光波3e不入射光電轉(zhuǎn)換部4的方式，使光電轉(zhuǎn)換部4沿X軸方向偏移、或在光電轉(zhuǎn)換部4與傳播介質(zhì)部I之間設(shè)置遮蔽板以遮蔽O次衍射光波3e的一部分或全部即可。還有，如以下詳細(xì)說明的，光電轉(zhuǎn)換部4輸出包含具有聲波5的2倍的頻率的成分的電信號(hào)。因此，如圖I所示，通過將光電轉(zhuǎn)換部4與頻率轉(zhuǎn)換器22連接，在頻率轉(zhuǎn)換器22中，將輸入的信號(hào)的頻率轉(zhuǎn)換成1/2，能夠得到包含聲波5的成分的電信號(hào)。(光學(xué)麥克100的工作)接下來，說明光學(xué)麥克100的工作。如上述配置有構(gòu)成要素的光學(xué)麥克100中，第一聲波5a和第二聲波5b相互平行、并且沿逆向在傳播介質(zhì)部I的衍射區(qū)域21中傳播時(shí)，光波3受到由第一聲波5a和第二聲波5b的傳播帶來的作用。如圖2 (a)所示，從傳播介質(zhì)部I的第一和第二輸入孔徑面6a、6b入射的第一聲波5a和第二聲波5b，在傳播介質(zhì)部I中傳播，且如圖2(b)所示同時(shí)到達(dá)衍射區(qū)域21。將衍射區(qū)域21中光波3與第一聲波5a和第二聲波5b發(fā)生作用的情況，分成各自的聲波加以說明。圖7(a)表示在傳播介質(zhì)部I的內(nèi)部第一聲波5a和光波3發(fā)生作用的情況。圖7 (b)表不在傳播介質(zhì)部I的內(nèi)部第二聲波5b和光波3發(fā)生作用的情況。在圖7(a)和(b)中，A表不在傳播介質(zhì)部I中傳播的聲波5的波長表不聲波5的頻率，λ表不光波6的波長，f0表不光波3的頻率。另外,光波3沿z軸方向傳播，第一聲波5a沿X軸方向傳播。第一聲波5a傳播的方向?yàn)閄軸的正指向。因?yàn)槁暡榭v波,所以圖7(a)和(b)所不的傳播介質(zhì)部I中，黑的部分表示由于第一聲波5a和第二聲波5b造成的傳播介質(zhì)的位移所導(dǎo)致的傳播介質(zhì)變得細(xì)密的部分，白的部分表示傳播介質(zhì)變得粗糙的部分。如圖7 (a)所示，由于第一聲波5a在傳播介質(zhì)部I的內(nèi)部傳播，構(gòu)成傳播介質(zhì)部I的傳播介質(zhì)的密度發(fā)生變化。其結(jié)果是，根據(jù)傳播介質(zhì)的密度的高低，而使光波3所對(duì)應(yīng)的傳播介質(zhì)的折射率發(fā)生變化。例如，由于作為波長Λ的平面波的第一聲波5a傳播，會(huì)形成周期Λ的折射率變化圖案。即，傳播介質(zhì)部I成為具有周期Λ的折射率變化圖案的衍射光柵。
若對(duì)于這種狀態(tài)的傳播介質(zhì)部I使光波3入射，則發(fā)生衍射光波。這時(shí)，如果是具有能夠測量范圍的聲壓的聲波5，則因?yàn)?次以上的衍射光成分小，所以可以無視。如圖7(a)所示，通過向傳播介質(zhì)部I的衍射區(qū)域21入射光波3，有如下3個(gè)光波出射不發(fā)生衍射而向z軸方向直接傳播的O次衍射光波3e ;相對(duì)于O次衍射光波3e，朝向作為聲波5a的傳播方向的X軸的正方向發(fā)生衍射的+1次衍射光波3a ;相對(duì)于O次衍射光波3e，朝向作為與聲波5a的傳播成反方向的x軸的負(fù)方向發(fā)生衍射的_1次衍射光波3b。+1次衍射光波3a和_1次衍射光波3b的頻率，由于第一聲波5a而受到多普勒頻移。受到了多普勒頻移的+1次衍射光波3a的頻率為fQ+f，_l次衍射光波3b的頻率為fQ-f·。O次衍射光波3e的頻率就是fO。+1次衍射光波3a和-1次衍射光波3b的衍射角Θ、和衍射光波的強(qiáng)度II，由以下的式⑴和(2)表示。
算式I
.Ω λ λ' fsin 6 = — = ^(I)
A Vn算式2
i ΙττΑηΙ/丨 OC J1 (-)(2)
λ在此，λ表不光波3的波長，A表不第一聲波5a的波長，f表不第一聲波5a的頻率，Vn表示傳播介質(zhì)部I中的第一聲波5a的音速(傳播速度)，Δη表示由第一聲波5a的傳播所造成的傳播介質(zhì)部I的折射率變化量，I表示光波3在傳播介質(zhì)部I中傳播的距離，J1表示I次的貝塞爾函數(shù)。由式(I)可知，如果聲波5的頻率越高，則衍射角Θ越大。就第一聲波5a和第二聲波5b而言，由于是從聲波5分波的，因此波長Λ、頻率f、音速Vn、折射率變化量Λ η這些在聲波5和第二聲波5b中也相等。圖7(b)表示在傳播介質(zhì)部I的內(nèi)部第二聲波5b和光波3發(fā)生作用的情況。與圖7 (a)同樣，A表不在傳播介質(zhì)部I中傳播的聲波5的波長表不聲波5的頻率，λ表不光波3的波長，f0表不光波3的頻率。光波3在與圖7 (a)同樣下沿z軸方向傳播。聲波5b與聲波5a不同，沿X軸的負(fù)指向傳播。與第一聲波5a的情況ー樣，如圖7(b)所示，由于第二聲波5b在傳播介質(zhì)部I的內(nèi)部傳播，構(gòu)成傳播介質(zhì)部I的傳播介質(zhì)的密度發(fā)生變化，傳播介質(zhì)部I成為具有周期Λ的折射率變化圖案的衍射光柵。如圖7(b)所示，通過向傳播介質(zhì)部I的衍射區(qū)域21入射光波3，會(huì)生成如下光波不發(fā)生衍射而朝向ζ軸方向直接傳播的O次衍射光波3e ;相對(duì)于O次衍射光波3e，朝向作為聲波5b的傳播方向的X軸的負(fù)方向發(fā)生衍射的+1次衍射光波3c ;相對(duì)于O次衍射光波3e，朝向作為與聲波5b的傳播成反方向的X軸的正方向發(fā)生衍射的-I次衍射光波3d。+1次衍射光波3c和-I次衍射光波3d的頻率，由于第二聲波5b而受到多普勒頻移。受到多普勒頻移的+1次衍射光波3c的頻率為4+デ，-1次衍射光波3d的頻率為fQ-f。O次衍射光波3e的頻率就是fQ。+1次衍射光波3c和-I次衍射光波3d的衍射角Θ和衍射光波的強(qiáng)度I1,由上式(I)和⑵表示。在圖7(a)和(b)中，分別說明了光波3與第一聲波5a及第ニ聲波5b的作用，但在光學(xué)麥克100中，在傳播介質(zhì)部I的衍射區(qū)域21,第一聲波5a和第二聲波5b同時(shí)到達(dá)，因此，如圖2(b)所示，逆向傳播的第一聲波5a和第二聲波5b同時(shí)作用于光波3，第一聲波形成的+1次衍射光波3a和-I次衍射光波3b、與第二聲波5b形成的+1次衍射光波3c和-I次衍射光波3d同時(shí)生成。在圖8 (a)和(b)中示出透過傳播介質(zhì)部I之后的衍射光波的情況。圖9是從光波3傳播的方向觀看的衍射光波。與光波3發(fā)生作用的聲波5a、5b的傳播方向互為反方向且頻率相等時(shí)，上式(I)右邊的參數(shù)全部相等，因此衍射角Θ相等。因此，因第一聲波5a而發(fā)生衍射的+1次衍射光波3a及因第二聲波5b而發(fā)生衍射的-I次衍射光波3d，與因聲波5a而發(fā)生衍射的-I次衍射光波3b及因聲波5b而發(fā)生衍射的+1次衍射光波3c,沿同方向以同角度進(jìn)行衍射，各自的光程一致。因此，基于第一聲波5a的+1次衍射光波3a與基于第二聲波5b的-I次衍射光波3d，以及基于第一聲波5a的-I次衍射光波3b與基于第二聲波5b的+1次衍射光波3c，如 圖8(a)和(b)所示，分別重合干渉。即，+1次衍射光波3a的頻率為れ+f，_1次衍射光波3d的頻率為も-f，因此能夠得到在頻率2f下強(qiáng)度變化的干渉成分。同樣，-I次衍射光波3b的頻率為fff，+1次衍射光波3c的頻率為ち+f，因此能夠得到在頻率2f下強(qiáng)度變化的干渉成分。因此，若以光電轉(zhuǎn)換部4檢測+1次衍射光波3a和-I次衍射光波3d、或-1次衍射光波3b和+1次衍射光波3c，則包含頻率為2f的差頻光成分。即使聲波5的頻率發(fā)生變化時(shí)，只要第一聲波5a和第二聲波5b的頻率相同，因?yàn)檠苌浣铅▽?duì)應(yīng)第一聲波5a和第二聲波5b也同樣發(fā)生變化,所以+1次衍射光波3a與-1次衍射光波3d重疊的面積、以及-I次衍射光波3b與+1次衍射光波3c重疊的面積不會(huì)變化。因此，檢測靈敏度不會(huì)隨著聲波5的頻率而變化。但是，會(huì)發(fā)生如下情況如圖8(a)所示，由于衍射角Θ的大小和光電轉(zhuǎn)換部4的位置，導(dǎo)致+1次衍射光波3a及-I次衍射光波3d、乃至-I次衍射光波3b及+1次衍射光波3c與O次衍射光波3e不重疊的情況；或如圖8 (b)所示，由于光電轉(zhuǎn)換部4的位置，導(dǎo)致+1次衍射光波3a及-I次衍射光波3d、乃至-I次衍射光波3b及+1次衍射光波3c與O次衍射光波3e部分重疊的情況發(fā)生。對(duì)于衍射區(qū)域21的光波3的衍射進(jìn)行補(bǔ)充。圖9(a)和(b)是為了說明第一聲波5a和第二聲波5b引起的傳播介質(zhì)部I的折射率變化、使第一聲波5a和第二聲波5b由橫波表現(xiàn)以示出第一聲波5a和第二聲波5b的圖。如圖9(a)所示，t = 0，從分開距離w的第一和第二輸入孔徑面6a、6b入射的第一和第二聲波5a、5b，彼此沿相反方向傳播，且在距離w/2根據(jù)波的疊加法則而互相重疊，外觀上振幅達(dá)到2倍的聲波在距離w/2出現(xiàn)后，在波的獨(dú)立性下第一聲波5a和第二聲波5b彼此遠(yuǎn)離地傳播。圖9(a)所示的振幅為2倍的波，表示在實(shí)際的縱波的傳播中而傳播介質(zhì)的折射率的變化量變成2倍，根據(jù)式(2)，由于傳播介質(zhì)的折射率的變化量與衍射光波的強(qiáng)度成比例，由此意味著會(huì)有強(qiáng)度強(qiáng)的衍射光生成。這就意味著，在+1次衍射光波3a及-I次衍射光波3d、或-1次衍射光波3b及+1次衍射光波3c重疊的光中，包含有+1次衍射光波3a的2倍的強(qiáng)度的且頻率為2f的成分。在第-聲波5a和第二聲波5b是一定頻率的連續(xù)波、且振幅相等的情況下，在傳播介質(zhì)部I中產(chǎn)生駐波。就該駐波而言，在外觀上雖然在一定頻率下其振幅變化，但波出現(xiàn)的位置沒有發(fā)生變化，因此看起來好象沒有傳播。但是，駐波的振幅的時(shí)間變化，會(huì)因第一聲波5a和第二聲波5b傳播的重合而發(fā)生。因此認(rèn)為，即使在這種情況下，在傳播介質(zhì)部I中，由于第一聲波5a和第二聲波5b的傳播，±1次衍射光波3a、3b、3c、3d的頻率仍受到來自多普勒效應(yīng)的移頻。另外如圖9(a)的下方所示，可知衍射區(qū)域21的位置不位于距離w/2時(shí)，首先，基于第一聲波5a的衍射光產(chǎn)生，其后，基于第二聲波5b的衍射光產(chǎn)生。這時(shí)，+1次衍射光波3a和-1次衍射光波3d在相同 的位置(相同衍射角Θ)生成，但時(shí)間上有所偏離。因此，上述的+1次衍射光波3a和-I次衍射光波3d的干渉不會(huì)發(fā)生。即，檢測不到干渉成分。圖9(b)表不第一聲波5a和第二聲波5b的相位不同的(圖中為反轉(zhuǎn))的情況。當(dāng)t = t’，相位反轉(zhuǎn)的第一聲波5a和第二聲波5b到達(dá)衍射區(qū)域21的X = w/2的位置吋，因?yàn)?個(gè)聲波相位反轉(zhuǎn),所以在第一聲波5a和第二聲波5b到達(dá)的時(shí)刻,2個(gè)聲波相互抵消,看不到波形。但是，在這ー時(shí)刻前后，即當(dāng)t = t’ + At或t = t’-At，由于波的獨(dú)立性，第一聲波5a和第二聲波5各自存在，因此如上述,基于第一聲波5a和第二聲波5b的衍射發(fā)生。這種情況下，對(duì)應(yīng)第一聲波5a和第二聲波5b的相位差，干渉成分的強(qiáng)度變化的相位發(fā)生變化。圖10(a)至(C)模式化地表不在光學(xué)麥克100中、聲波5的信號(hào)的檢測情況。若+1次衍射光波3a及-1次衍射光波3d、或-1次衍射光波3b及+1次衍射光波3c的干渉光由接收光電轉(zhuǎn)換部4接收并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，則如圖10(a)這樣，能夠得到在衍射光波的強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的直流成分中加入了頻率2f的信號(hào)的電信號(hào)。通過從中除去直流成分，能夠檢測出聲波5。這時(shí)所得到的電信號(hào)，是與輸入的聲波5相對(duì)應(yīng)的信號(hào)，但頻率成為輸入的聲波的2倍。如果想要聲波5以所輸入的頻率直接檢測，則將得到的電信號(hào)如圖I所示那樣輸入頻率轉(zhuǎn)換器22，實(shí)施使頻率成為1/2倍的處理即可。如上述，根據(jù)衍射角Θ和光電轉(zhuǎn)換部4的位置，會(huì)存在如下情況±1次衍射光波3a、3b、3c、3d與O次衍射光波3e不重疊而分離的情況(圖8(a)) ; ± I次衍射光波3a、3b、3c,3d與O次衍射光波3e的一部分重疊的情況(圖8(b))。如圖2(a)所示，將傳播介質(zhì)部I和光電轉(zhuǎn)換部4的距離設(shè)為L，光波3的束寬設(shè)為w，衍射角設(shè)為Θ時(shí)，如果滿足以下的式(3)，則如圖8(幻所示，±1次衍射光波3&、313、3(3、3d與O次衍射光波3e不重疊，而分離。另ー方面，如果滿足式(4)，則如圖8(b)所示，±1次衍射光波3a、3b、3c、3d與O次衍射光波3e的一部分重疊。算式3Θ XL > w(3)算式4Θ XL < w(4)首先，考查如圖8(a)所示這樣，±1次衍射光波3a、3b、3c、3d從O次衍射光波3e分離的情況。在本實(shí)施方式的光學(xué)麥克100中，因?yàn)镺次衍射光波3e對(duì)于聲波5的檢測在原理上并沒有幫助，所以不需要用光電轉(zhuǎn)換部4進(jìn)行接收。在如圖8(a)這樣分離時(shí)，以不接收O次衍射光波3e的方式，將光電轉(zhuǎn)換部4在沿X軸方向偏移的位置配置，從而能夠僅接收基于第一聲波5a的+1次衍射光波3a和基于第二聲波5b的-I次衍射光波3d、或者基于第一聲波5a的-I次衍射光波3b和基于第二聲波5b的+1次衍射光波3c。
圖10(a)表不在不接收O次衍射光波3e時(shí)的聲波5的信號(hào)檢測的情況。相對(duì)于此，以光電轉(zhuǎn)換部4接收O次衍射光波3e時(shí)，如圖10(b)，光接收強(qiáng)度的直流成分増加。這時(shí)，如果光電轉(zhuǎn)換部4的光接收強(qiáng)度比光電轉(zhuǎn)換部4的最大輸入電平小，則沒有問題，能夠檢測聲波5。但是，在由光電轉(zhuǎn)換部4接收的光波之中的、有助于聲波5的檢測的部分相對(duì)地變小。因此，不接收O次衍射光波3e的方法因其測量的精度高而優(yōu)選。另外，光電轉(zhuǎn)換部4的光接收強(qiáng)度比光電轉(zhuǎn)換部4的最大輸入電平大時(shí)，如圖10(c)，光電轉(zhuǎn)換部4的輸出飽和，不能檢測聲波5。從以上內(nèi)容出發(fā)，優(yōu)選在衍射光波如圖8(a)這樣分離時(shí)不接收O次衍射光波3e的方法。另外，如圖11，如果僅將O次衍射光波3e由遮蔽物7進(jìn)行遮蔽等而將土 I次衍射光波3a、3b、3c、3d全部接收，則與僅接收+1次衍射光波3a及-I次衍射光波3d的干涉光成分、或-1次衍射光波3b及+1次衍射光波3c的干渉光成分的一方時(shí)相比較，有助于聲波5的信號(hào)檢測的光波的強(qiáng)度為2倍。由此，在光電轉(zhuǎn)換部4中，對(duì)聲波5的檢測沒有幫助的成分不會(huì)增加，能夠以大的光接收強(qiáng)度進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，能夠以更高靈敏度檢測信號(hào)。 接著，考查如圖8(b)這樣±1次衍射光波3a、3b、3c、3d與O次衍射光波3e的一部分重疊的情況。如圖8(b)這樣有一部分重疊時(shí)，除了 +1次衍射光波3a及-1次衍射光波3d以及-I次衍射光波3b及+1次衍射光波3c之外,在O次衍射光波3e與± I次衍射光波3a、3b、3c、3d重疊的部分也發(fā)生干渉。若O次衍射光波3e、±l次衍射光波3a、3b、3c、3d發(fā)生干渉，則頻率f的差頻光成分發(fā)生。這時(shí),+1次衍射光波3a、3c和O次衍射光波3e形成的差頻光成分與-I次衍射光波3b、3d和O次衍射光波3e形成的差頻光成分的相位關(guān)系互為反相。因此，即使對(duì)于差頻光成分進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換也會(huì)互相抵消，所以得不到頻率f的電信號(hào)。因此，O次衍射光波3e與±1次衍射光波3a、3b、3c、3d不能分離時(shí)，也能夠只取得頻率2f的信號(hào)。但是，與圖8 (a)的情況一祥，由于接收O次衍射光波3e，對(duì)于聲波5的檢測沒有幫助的光波的直流成分増加。另外，若光接收強(qiáng)度超過光電轉(zhuǎn)換部4的最大輸入光強(qiáng)度，則不能檢測聲波5。因此，優(yōu)選按照不接收O次衍射光波3e的方式，使光電轉(zhuǎn)換部4沿X軸方向偏移地配置、或使O次衍射光波3e的一部分遮蔽，由此減小直流光成分。但是，如圖9 (b)這樣有一部分重疊時(shí)，在+1次衍射光波3a和-I次衍射光波3d、或-I次衍射光波3b和+1次衍射光波3c的干渉光與O次衍射光波3e重疊的部分，不能將干涉光與O次衍射光波3e分離。因此，將重疊的部分與O次衍射光波3e —起接收，或者不接收重疊的部分。與O次衍射光波3e —起接收時(shí),在光接收強(qiáng)度中所占的有助于聲波5的檢測的光強(qiáng)度的比率變小，測量的精度變差。另外，不接收重疊的部分時(shí)，光接收強(qiáng)度變?nèi)?，靈敏度變差。因此，如圖8(a)這樣，± I次衍射光波3a、3b、3c、3d從O次衍射光波3e分離的方法，容易進(jìn)行O次衍射光波3e的分離而優(yōu)選。還有，作為傳播介質(zhì)部I，若使用ニ氧化娃干凝膠，則在傳播介質(zhì)內(nèi)部傳播的聲波5的音速Vn變小，由此如式(I)所表明的，能夠得到大的衍射角度。因此，在進(jìn)行O次衍射光波3e與±1次衍射光3a、3b、3c、3d的分離時(shí)，能夠縮短從傳播介質(zhì)部I至光電轉(zhuǎn)換部4的距離し另外，如圖12所示，如果在傳播介質(zhì)部I和光電轉(zhuǎn)換部4之間配置透鏡等光學(xué)元件8，至少使+1次衍射光波3a、3c和-I次衍射光波3b、3d的傳播方向變化，則在分離O次衍射光波3e和±1次衍射光波3a、3b、3c、3d時(shí),能夠進(jìn)ー步縮短從傳播介質(zhì)部I至光電轉(zhuǎn)換部4的距離。另外在上述實(shí)施方式中，傳播介質(zhì)部I由單ー的構(gòu)件構(gòu)成，第一聲波5a和第二聲波5b在衍射區(qū)域21的相同處所傳播。但是，第一聲波5a和第二聲波5b也可以透過衍射區(qū)域21的互不相同的處所。圖13表示具有第一傳播介質(zhì)部分Ia和第二傳播介質(zhì)部分Ib的光學(xué)麥克。第一傳播介質(zhì)部分Ia和第二傳播介質(zhì)部分Ib在光源2和光電轉(zhuǎn)換部4之間重復(fù)配置，透過第一傳播介質(zhì)部分Ia的衍射區(qū)域(第一衍射區(qū)域部分)21a的光波3透過第二傳播介質(zhì)部分Ib的衍射區(qū)域(第二衍射區(qū)域部分)21b。第一傳播介質(zhì)部分Ia和第二傳播介質(zhì)部分Ib由相同的傳播介質(zhì)構(gòu)成，在內(nèi)部傳播的聲波5的音速Vn相同。因此,基于第一聲波5a的+1次衍射光波3a與基于第二聲波5b的-I次衍射光波3d，以及基于第一聲波 5a的-I次衍射光波3b與基于第二聲波5b的+1次衍射光波3c沿同方向以同角度進(jìn)行衍射。因此，+1次衍射光波3a與-I次衍射光波3d相互平行，-1次衍射光波3b與+1次衍射光波3c相互平行。因此，基于第一聲波5a的+1次衍射光波3a與基于第二聲波5b的-I次衍射光波3d,和基于第一聲波5a的-I次衍射光波3b與基于第二聲波5b的+1次衍射光波3c,如圖14所示，雖然各衍射光波的光軸有ー些錯(cuò)位，但大部分互相重疊，在重疊的部分發(fā)生干渉。即使在聲波5的頻率發(fā)生變化時(shí)，只要第一傳播介質(zhì)部分Ia和第二傳播介質(zhì)部分Ib的音速與聲波5a和5b的頻率相同,衍射角相對(duì)于聲波5a和聲波5b也同樣發(fā)生變化,其位置關(guān)系不變。因此，因?yàn)楦缮娌糠值拿娣e不變，所以不會(huì)因聲波5的頻率導(dǎo)致檢測靈敏度發(fā)生變化。如此根據(jù)本實(shí)施方式的光學(xué)麥克，使作為應(yīng)該檢測的聲波的一部分的第一聲波和作為另一部分的第二聲波，在同一時(shí)刻，以橫穿透過傳播介質(zhì)部的光波的方式，相互平行地且沿相反方向地在傳播介質(zhì)部分別傳播。因此，基于第一聲波的+1次衍射光波和基于第二聲波的-I次衍射光波、或基于第一聲波的-I次衍射光波和基于第二聲波的+1次衍射光波，不論聲波的頻率，都以相同的衍射角衍射。因此，+1次衍射光波和-I次衍射光波的干涉成分不論聲波的頻率如何而保持固定，由此可實(shí)現(xiàn)不論聲波的頻率能夠以固定的檢測靈敏度檢測聲波的光學(xué)麥克。另外，因?yàn)閷?yīng)該檢測的聲波，作為+1次衍射光波和-I次衍射光波的干渉成分加以檢測，所以干渉成分的光量變化與應(yīng)該檢測的聲波對(duì)應(yīng)。因此，即使不使用如激光多普勒振動(dòng)計(jì)這樣大規(guī)模的光學(xué)系統(tǒng)，也能在使用簡單的光電轉(zhuǎn)換元件下檢測出干渉成分。因此，能夠使光學(xué)麥克的結(jié)構(gòu)變得小型且簡単。產(chǎn)業(yè)上的可利用性本發(fā)明的光學(xué)麥克，作為小型的超聲波傳感器等或可聽聲麥克等有用。另外，也能夠作為在使用了超聲波的周圍環(huán)境系統(tǒng)中所使用的超聲波接收傳感器等加以應(yīng)用。符號(hào)說明I傳播介質(zhì)部Ia第一傳播介質(zhì)部分
Ib第二傳播介質(zhì)部分2 光源3 光波3a基于第一聲波的+1次衍射光波3b基于第一聲波的-I次衍射光波3c基于第二聲波的+1次衍射光波
3d基于第二聲波的-I次衍射光波3e O次衍射光波4光電轉(zhuǎn)換部5 聲波5a第一聲波5b第二聲波6a第一輸入孔徑面6b第二輸入孔徑面7遮蔽板8光學(xué)元件9波導(dǎo)路結(jié)構(gòu)IOa第一輸入孔徑IOb第二輸入孔徑11 喇叭探頭12a第一輸出孔徑12b第二輸出孔徑100光學(xué)麥克101出射系光學(xué)兀件102受光系光學(xué)元件103 光二極管201孔徑部202聲波導(dǎo)路203光聲傳播介質(zhì)204激光多普勒振動(dòng)計(jì)
權(quán)利要求
1.ー種光學(xué)麥克，是通過光波的使用將環(huán)境流體中傳播的聲波檢測出的光學(xué)麥克，其中，具有 所述聲波進(jìn)行傳播的傳播介質(zhì)部； 光源，其出射透過所述傳播介質(zhì)部中的衍射區(qū)域的光波； 光電轉(zhuǎn)換部，其將透過所述傳播介質(zhì)部的所述光波檢測出，且輸出電信號(hào)， 使作為所述聲波的一部分的第一聲波和作為另外至少一部分的第二聲波，同時(shí)到達(dá)所述衍射區(qū)域、并且以橫穿透過所述衍射區(qū)域的所述光波的方式相互平行地且沿相反方向地在所述傳播介質(zhì)部分別傳播， 在所述衍射區(qū)域，由于隨著所述第一聲波和所述第二聲波的傳播而分別產(chǎn)生的構(gòu)成所述傳播介質(zhì)部的傳播介質(zhì)的折射率分布，而使所述光波的+1次衍射光波和-I次衍射光波分別生成， 所述光電轉(zhuǎn)換部檢測如下干渉成分的至少一方基于所述第一聲波的所述光波的+1次衍射光波與基于所述第二聲波的所述光波的-I次衍射光波的干渉成分；和基于所述第一聲波的所述光波的-I次衍射光波與基于所述第二聲波的所述光波的+1次衍射光波的其他干涉成分。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)麥克，其中， 所述傳播介質(zhì)部具有第一和第二輸入孔徑面，所述第一和第二輸入孔徑面彼此対置、且分別入射所述第一聲波和所述第二聲波。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)麥克,其中， 在所述傳播介質(zhì)部中，所述第一和第二輸入孔徑面的位置，距所述衍射區(qū)域的距離相
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)麥克，其中，還具有波導(dǎo)路結(jié)構(gòu)， 該波導(dǎo)路結(jié)構(gòu)具有 面對(duì)同一方向的第一和第二輸入孔徑； 彼此對(duì)置的第一和第二輸出孔徑； 在所述第一和第二輸入孔徑與所述第一和第二輸出孔徑之間所分別設(shè)置的第一和第ニ波導(dǎo)路， 所述波導(dǎo)路結(jié)構(gòu)中，將從所述第一輸入孔徑入射的所述第一聲波和從所述第二輸入孔徑入射的所述第二聲波分別向所述第一和第二輸出孔徑引導(dǎo)， 所述波導(dǎo)路結(jié)構(gòu)的所述第一和第二輸出孔徑被配置在所述傳播介質(zhì)部的所述第一和第二輸入孔徑面。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)麥克,其中， 所述第一和第二波導(dǎo)路在所述波導(dǎo)路結(jié)構(gòu)中被對(duì)稱地配置。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)麥克,其中， 還具有與所述波導(dǎo)路結(jié)構(gòu)的第一和第二輸出孔徑連接的喇叭探頭。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)麥克，其中， 所述第一聲波和所述第二聲波透過所述衍射區(qū)域的同一處所。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)麥克，其中， 所述第一聲波和所述第二聲波透過所述衍射區(qū)域的互不相同的處所。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光學(xué)麥克,其中， 所述傳播介質(zhì)部包含第一傳播介質(zhì)部分和第二傳播介質(zhì)部分， 所述衍射區(qū)域包含分別位于所述第一傳播介質(zhì)部分和第二傳播介質(zhì)部分的第一衍射區(qū)域部分和第二衍射區(qū)域部分， 所述第一衍射區(qū)域部分和所述第二衍射區(qū)域部分，在所述光源和所述光電轉(zhuǎn)換部之間重疊配置。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)麥克，其中， 所述光電轉(zhuǎn)換部按照相對(duì)于透過所述衍射區(qū)域的光波而沿著所述第一聲波和所述第ニ聲波傳播的方向偏移的方式配置， 并且，僅檢測如下干渉成分之中的一方基于所述第一聲波的所述光波的+1次衍射光波和基于所述第二聲波的所述光波的-I次衍射光波的所述干涉成分；和基于所述第一聲波的所述光波的-I次衍射光波和基于所述第二聲波的所述光波的+1次衍射光波的所述其他干涉成分。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)麥克，其中， 還具有遮蔽部，該遮蔽部位于所述光電轉(zhuǎn)換部和所述傳播介質(zhì)部中的衍射區(qū)域之間，且按照使透過所述衍射區(qū)域的光波的一部分或全部不入射所述光電轉(zhuǎn)換部的方式將透過所述衍射區(qū)域的光波遮蔽。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的光學(xué)麥克,其中， 在所述傳播介質(zhì)和所述光電轉(zhuǎn)換部之間，還具有使所述光波的+1次衍射光波和-I次衍射光波的傳播方向變化的光學(xué)元件。
13.根據(jù)權(quán)利要求I至12中任一項(xiàng)所述的光學(xué)麥克,其中， 所述傳播介質(zhì)部具有比空氣小的音速、且由固體的傳播介質(zhì)構(gòu)成。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的光學(xué)麥克,其中， 所述傳播介質(zhì)由ニ氧化娃干凝膠構(gòu)成。
15.根據(jù)權(quán)利要求I至14中任一項(xiàng)所述的光學(xué)麥克,其中， 還具有頻率轉(zhuǎn)換部，該頻率轉(zhuǎn)換部將由所述光電轉(zhuǎn)換部得到的電信號(hào)的頻率變化成1/2 倍。
16.ー種聲波檢測方法，是通過光波的使用將環(huán)境流體中傳播的聲波檢測出的聲波檢測方法，其中，包括如下步驟， 使作為所述聲波的一部分的第一聲波和作為另外至少一部分的第二聲波，以同時(shí)到達(dá)傳播介質(zhì)部的衍射區(qū)域的方式，相互平行地且沿相反方向地在所述傳播介質(zhì)部中分別傳播的步驟； 在所述傳播介質(zhì)部的所述衍射區(qū)域中，以橫穿所述傳播的第一聲波和所述第二聲波的方式使光波透過，在所述衍射區(qū)域中，由于隨著所述第一聲波和所述第二聲波的傳播而分別產(chǎn)生的構(gòu)成所述傳播介質(zhì)部的傳播介質(zhì)的折射率分布，而使所述光波的+1次衍射光波和-I次衍射光波分別生成的步驟； 基于所述第一聲波的所述光波的+1次衍射光波與基于所述第二聲波的所述光波的-I次衍射光波的干渉成分、以及基于所述第一聲波的所述光波的-I次衍射光波與基于所述第二聲波的所述光波的+1次衍射光波的其他的干涉成分之中至少一方得以檢測的步驟。
全文摘要
本發(fā)明的光學(xué)麥克，是對(duì)環(huán)境流體中傳播的聲波進(jìn)行檢測的光學(xué)麥克，具有傳播介質(zhì)部(1)；光源(2)，出射透過傳播介質(zhì)部(1)中的衍射區(qū)域(21)的光波；光電轉(zhuǎn)換部(4)，檢測透過傳播介質(zhì)部(1)的光波(3)，且輸出電信號(hào)，并且，使作為聲波的一部分的第一聲波(5a)和作為另一部分的第二聲波(5b)，同時(shí)到達(dá)衍射區(qū)域(21)、并且以橫穿透過傳播介質(zhì)部(1)的光波(3)的方式相互平行地且沿相反方向地在傳播介質(zhì)部(1)中分別傳播，由于在衍射區(qū)域(21)中產(chǎn)生的傳播介質(zhì)的折射率分布所生成的光波(3)的+1次衍射光波和-1次衍射光波的干涉成分得以檢測。
文檔編號(hào)G01H9/00GK102696241SQ20118000467
公開日2012年9月26日 申請日期2011年8月9日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月31日
發(fā)明者寒川潮, 巖本卓也, 橋本雅彥, 金子由利子 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社