JPH0544967B2 - - Google Patents
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- JPH0544967B2 JPH0544967B2 JP24378484A JP24378484A JPH0544967B2 JP H0544967 B2 JPH0544967 B2 JP H0544967B2 JP 24378484 A JP24378484 A JP 24378484A JP 24378484 A JP24378484 A JP 24378484A JP H0544967 B2 JPH0544967 B2 JP H0544967B2
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- JP
- Japan
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- light
- vibration
- face
- reflection chamber
- vibroacoustic
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Links
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- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 6
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- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 2
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
- G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
- Electrostatic, Electromagnetic, Magneto- Strictive, And Variable-Resistance Transducers (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】
産業上の利用分野
本発明はレーザ光を用いて従来と同等またはそ
れ以上の音に対する感度とＳ／Ｎを有し、同時に
非接触で振動源の振動速度をリアルタイムで検出
できる複合センサで、振動速度の計測やマイクロ
ホンとして単独で利用できるとともに、振動騒音
の同時測定やスペクトル分析ができるため、振動
源が騒音に与える影響度等を分析できるレーザ方
式振動音響複合センサに関するものである。
れ以上の音に対する感度とＳ／Ｎを有し、同時に
非接触で振動源の振動速度をリアルタイムで検出
できる複合センサで、振動速度の計測やマイクロ
ホンとして単独で利用できるとともに、振動騒音
の同時測定やスペクトル分析ができるため、振動
源が騒音に与える影響度等を分析できるレーザ方
式振動音響複合センサに関するものである。
従来の技術
従来より、振動センサは振動ピツクアツプとし
て、音響センサはマイクロホンとしてそれぞれ単
独に使用されていた。
て、音響センサはマイクロホンとしてそれぞれ単
独に使用されていた。
振動センサは、使用形態から非接触形と接触形
に分類される。一方構成上から動電形、圧電形、
容量形、光電形、ホール素子など種々のものがあ
るが、取扱の簡便さや安定度などから主として接
触形で、圧電形が使用されている。
に分類される。一方構成上から動電形、圧電形、
容量形、光電形、ホール素子など種々のものがあ
るが、取扱の簡便さや安定度などから主として接
触形で、圧電形が使用されている。
音響センサ（マイクロホン）は、指向性から無
指向性、単一指向性、超指向性がある。また構成
上から動電形、コンデンサ形、電磁形、圧電形な
どがあるが、周波数特性の平坦性から主としてコ
ンデンサ形が使用されている。
指向性、単一指向性、超指向性がある。また構成
上から動電形、コンデンサ形、電磁形、圧電形な
どがあるが、周波数特性の平坦性から主としてコ
ンデンサ形が使用されている。
発明が解決しようとする問題点
しかしながら、振動センサも音響センサも振動
変位センサで構成できるから複合センサを構成し
ようとする場合、振動センサは測定範囲が1μｍ
〜10cm等でその分解能は1μｍもあれば充分であ
るが、一方マイクロホンの変位検出量は0.1Å
（オングストローム）〜100Å程度で分解能は0.1
Å必要であり、振動変位計との分解能の差は1000
倍〜10000倍の相違があり、そこで振動センサと
音響センサとの複合センサを構成することはでき
なかつた。また振動センサは主として接触形で圧
電形であるが接触形であるためセンサ質量が振動
状態に影響を与え振動量が変化する。また、出力
インピーダンスが高いため電気的雑音を捨いやす
いなどの問題点があつた。さらに体内振動センサ
などでは、電流洩れがないこと、また、工場プラ
ント等では防爆性が要求され火花放電しない等の
条件、一方マイクロホンにおいても電磁誘導雑音
に強いことや、火花放電しない、漏電しない等の
条件を満足しなければならないという問題点を有
していた。
変位センサで構成できるから複合センサを構成し
ようとする場合、振動センサは測定範囲が1μｍ
〜10cm等でその分解能は1μｍもあれば充分であ
るが、一方マイクロホンの変位検出量は0.1Å
（オングストローム）〜100Å程度で分解能は0.1
Å必要であり、振動変位計との分解能の差は1000
倍〜10000倍の相違があり、そこで振動センサと
音響センサとの複合センサを構成することはでき
なかつた。また振動センサは主として接触形で圧
電形であるが接触形であるためセンサ質量が振動
状態に影響を与え振動量が変化する。また、出力
インピーダンスが高いため電気的雑音を捨いやす
いなどの問題点があつた。さらに体内振動センサ
などでは、電流洩れがないこと、また、工場プラ
ント等では防爆性が要求され火花放電しない等の
条件、一方マイクロホンにおいても電磁誘導雑音
に強いことや、火花放電しない、漏電しない等の
条件を満足しなければならないという問題点を有
していた。
問題点を解決するための手段
本発明は、上記問題点を解決するもので、レー
ザ光源と、上記レーザ光源と光学的に結合された
光分岐器と、上記光分岐器と光学的に結合された
光フアイバと、上記光フアイバの出射端面と上記
光フアイバ出射端面に対向して、平行に配置され
た光半透過受音振動板とで入射光のくり返し多重
反射を形成する多重反射室と、上記光分岐器と光
学的に結合された受光器とを有し、上記光半透過
受音振動板の変位をくり返し多重反射室における
レーザ光の反射干渉による反射波にもとづき光の
強度変調として検出する音響検出部と、上記光半
透過受音振動板で透過し、振動被測定面で反射さ
れたレーザ光にもとづき振動速度を検出する振動
検出部とを具備した構成となつている。
ザ光源と、上記レーザ光源と光学的に結合された
光分岐器と、上記光分岐器と光学的に結合された
光フアイバと、上記光フアイバの出射端面と上記
光フアイバ出射端面に対向して、平行に配置され
た光半透過受音振動板とで入射光のくり返し多重
反射を形成する多重反射室と、上記光分岐器と光
学的に結合された受光器とを有し、上記光半透過
受音振動板の変位をくり返し多重反射室における
レーザ光の反射干渉による反射波にもとづき光の
強度変調として検出する音響検出部と、上記光半
透過受音振動板で透過し、振動被測定面で反射さ
れたレーザ光にもとづき振動速度を検出する振動
検出部とを具備した構成となつている。
作 用
本発明は上記した構成により、光半透過受音振
動板の変位から音圧を検出し、レーザドツプラ法
を用いて、レーザ光のドツプラシフトの周波数変
化として振動速度を検出することができる。
動板の変位から音圧を検出し、レーザドツプラ法
を用いて、レーザ光のドツプラシフトの周波数変
化として振動速度を検出することができる。
実施例
以下、本発明の一実施例について図面を参照し
ながら説明する。
ながら説明する。
第１図は、本発明の一実施例における振動音響
複合センサの構成図、第２図は同要部構成図であ
る。
複合センサの構成図、第２図は同要部構成図であ
る。
第１図、第２図において、１はレーザ光源、２
はレーザ光源１と光学的に結合されたビームスプ
リツタ等の光分岐器、３は光分岐器２と光学的に
結合された光フアイバ、４は光フアイバ３の出射
端部に設けられたレンズで、レーザ光源１からの
直進光を平行光に変換するレンズで、平行光に変
換することにより効率を高めている。５はレンズ
４の出射端面に対向して平行に配置された厚さ
20μｍの光半透過受音振動板（以下振動板とい
う）６とレンズ４との間に形成されたくり返し多
重反射室（以下反射室という）、７は、レンズ４、
反射室５、振動板６とで構成されるセンサヘツド
である。８は光分岐器３からの分析光が入射され
る受光器、９は受光器８の出力信号を増幅する増
幅器、１０は増幅器８の出力信号にもとづき、周
波数変化を検出し、振動速度を測定するスポクト
ルアナライザ、１１は増幅器８の出力信号の強度
変化を読みとり、振動板６に加わる音圧を測定す
るレベルメータ、１２は振動被測定面である。
尚、反射室５からみて、レンズ４の出射端面の光
の反射率と振動板６の光の反射率はコーテイング
等を施しほぼ同一の反射率となるように構成され
ている。
はレーザ光源１と光学的に結合されたビームスプ
リツタ等の光分岐器、３は光分岐器２と光学的に
結合された光フアイバ、４は光フアイバ３の出射
端部に設けられたレンズで、レーザ光源１からの
直進光を平行光に変換するレンズで、平行光に変
換することにより効率を高めている。５はレンズ
４の出射端面に対向して平行に配置された厚さ
20μｍの光半透過受音振動板（以下振動板とい
う）６とレンズ４との間に形成されたくり返し多
重反射室（以下反射室という）、７は、レンズ４、
反射室５、振動板６とで構成されるセンサヘツド
である。８は光分岐器３からの分析光が入射され
る受光器、９は受光器８の出力信号を増幅する増
幅器、１０は増幅器８の出力信号にもとづき、周
波数変化を検出し、振動速度を測定するスポクト
ルアナライザ、１１は増幅器８の出力信号の強度
変化を読みとり、振動板６に加わる音圧を測定す
るレベルメータ、１２は振動被測定面である。
尚、反射室５からみて、レンズ４の出射端面の光
の反射率と振動板６の光の反射率はコーテイング
等を施しほぼ同一の反射率となるように構成され
ている。
以上のように構成された本実施例について、以
下その動作を説明する。
下その動作を説明する。
最初に音響センサとして用いる場合について説
明する。この場合は主として、レーザ光源１、光
分岐器２、光フアイバ３、レンズ４、反射室５、
振動板６、受光器８、レベルメータ１１で構成さ
れる。
明する。この場合は主として、レーザ光源１、光
分岐器２、光フアイバ３、レンズ４、反射室５、
振動板６、受光器８、レベルメータ１１で構成さ
れる。
まず、レーザ光源１を出たレーザ光は光分岐器
２で受光器８に進む分岐光と光フアイバ３に直進
する直進光とに分岐される。直進光は光フアイバ
を経て光フアイバ３の出射端面に設けられたレン
ズ４で平行光に変換され、反射室５に入る。反射
室５に入射されたレーザ光は、その一部は透過す
るが、その一部は振動板６で反射され、レンズ端
面と振動板６との間で多重反射をくり返しながら
光分岐器２を経て受光器８へと返る。このとき
ｄ／λ（ただし、ｄはくり返し多重反射室の長さ、
λはレーザの波長）を適切に設定すると、反射光
は振動板の微少な変位で強度変調を受け、変換効
率の高い変位センサが得られる。
２で受光器８に進む分岐光と光フアイバ３に直進
する直進光とに分岐される。直進光は光フアイバ
を経て光フアイバ３の出射端面に設けられたレン
ズ４で平行光に変換され、反射室５に入る。反射
室５に入射されたレーザ光は、その一部は透過す
るが、その一部は振動板６で反射され、レンズ端
面と振動板６との間で多重反射をくり返しながら
光分岐器２を経て受光器８へと返る。このとき
ｄ／λ（ただし、ｄはくり返し多重反射室の長さ、
λはレーザの波長）を適切に設定すると、反射光
は振動板の微少な変位で強度変調を受け、変換効
率の高い変位センサが得られる。
多光束干渉系、すなわちくり返し多重反射系に
ついて、第３図を用いて説明する。第３図におい
て、２０は光の屈折率n1の媒質、２１は屈折率n2
の媒質、２２は媒質２０，２１間に設けられた屈
折率n0の空気層で、空気層２２の厚さをｄとす
る。
ついて、第３図を用いて説明する。第３図におい
て、２０は光の屈折率n1の媒質、２１は屈折率n2
の媒質、２２は媒質２０，２１間に設けられた屈
折率n0の空気層で、空気層２２の厚さをｄとす
る。
今、媒質２０から空気層２２への入射光の入射
角をφ1、その透過光の屈折角をｘ、空気層２２
から媒質２１への透過光の屈折角をφ2とし、入
射光の強度をIi、反射光の強度をIr、透過光の強
度をItとし、波長をλとして入射光Iiと反射光Irと
の比Ii／Irを求める。空気層２２から媒質側を見た 境界面での振幅反射率をｒとすると、第(1)式のよ
うになる。
角をφ1、その透過光の屈折角をｘ、空気層２２
から媒質２１への透過光の屈折角をφ2とし、入
射光の強度をIi、反射光の強度をIr、透過光の強
度をItとし、波長をλとして入射光Iiと反射光Irと
の比Ii／Irを求める。空気層２２から媒質側を見た 境界面での振幅反射率をｒとすると、第(1)式のよ
うになる。
Ir／Ii＝4r2sin2δ／２／（１−r2）4r2sin2δ／２……
(1) ここでδは、入射光と反射光の位相差で第(2)式
のように規定される。
(1) ここでδは、入射光と反射光の位相差で第(2)式
のように規定される。
δ＝2π／λ2n0d cosx ……(2)
第(1)式で反射率ｒをパラメータとして位相差δ
と強度反射係数Ir／Iiとの関係を第４図に示す。
今第４図は、δに関する周期関数であるので、ｒ
＝0.5についての動作状態を示すと第５図のよう
になる。ここにδ∝n0・ｄ／λとした。第５図に
示すとおり、空気層２２の厚さｄが変化すると、
強度反射係数Ir／Iiの値が変化することがわかる。
今、媒質２１を振動板６とすると、振動板６の微
少な変位を検出できる。即ち入射音により振動板
６がPAのように変位すると出力光はPLとなり強
度変調される。これが音響センサである。
と強度反射係数Ir／Iiとの関係を第４図に示す。
今第４図は、δに関する周期関数であるので、ｒ
＝0.5についての動作状態を示すと第５図のよう
になる。ここにδ∝n0・ｄ／λとした。第５図に
示すとおり、空気層２２の厚さｄが変化すると、
強度反射係数Ir／Iiの値が変化することがわかる。
今、媒質２１を振動板６とすると、振動板６の微
少な変位を検出できる。即ち入射音により振動板
６がPAのように変位すると出力光はPLとなり強
度変調される。これが音響センサである。
次に振動センサとして用いる場合について説明
する。
する。
この場合は、主としてレーザ光源１、光分岐器
２、光フアイバ３、レンズ４、受光器８、スペク
トルアナライザ１０で構成される。まずレーザ光
源１を出たレーザ光（振動数＝ｃ／λ、ｃは光
速）は、光分岐器２を経て光フアイバ３に入る。
光フアイバ端面で入射光の一部は反射される。こ
の反射光の振動数はとなる。一方、反射室５を
透過した光は、振動被測定面１２で反射されると
ともに振動面の振動速度に応じてドツプラシフト
による周波数変化Δ＝2V／λを受ける。λはレ
ーザ光の波長、Ｖは被測定面の振動速度である。
反射された光は再び反射室５、光フアイバ３を経
て光分岐器２に入射、及び反射された受光器へ達
する。そこで光フアイバ端面で反射する反射光の
振動数とドツプラシフトを受けて反射された反
射光の振動数＋Δとは、受光器８（APD）で
光へテロダイン検波され、ドツプラシフト成分
Δが電気信号として得られる。この周波数変化
Δをスペクトルアナライザ１０で検出すると振
動速度Ｖを非接触で測定できる。
２、光フアイバ３、レンズ４、受光器８、スペク
トルアナライザ１０で構成される。まずレーザ光
源１を出たレーザ光（振動数＝ｃ／λ、ｃは光
速）は、光分岐器２を経て光フアイバ３に入る。
光フアイバ端面で入射光の一部は反射される。こ
の反射光の振動数はとなる。一方、反射室５を
透過した光は、振動被測定面１２で反射されると
ともに振動面の振動速度に応じてドツプラシフト
による周波数変化Δ＝2V／λを受ける。λはレ
ーザ光の波長、Ｖは被測定面の振動速度である。
反射された光は再び反射室５、光フアイバ３を経
て光分岐器２に入射、及び反射された受光器へ達
する。そこで光フアイバ端面で反射する反射光の
振動数とドツプラシフトを受けて反射された反
射光の振動数＋Δとは、受光器８（APD）で
光へテロダイン検波され、ドツプラシフト成分
Δが電気信号として得られる。この周波数変化
Δをスペクトルアナライザ１０で検出すると振
動速度Ｖを非接触で測定できる。
以上のように本実施例によれば、音響センサ
と、振動センサとを同一に構成できる複合センサ
で、受光器８の出力の強度変化をレベルメータ１
１で読みとることにより、振音板６に加わる音圧
を、またスペクトルアナライザ１０で周波数を測
定することにより、振動被測定面１２に振動を検
出することができる。
と、振動センサとを同一に構成できる複合センサ
で、受光器８の出力の強度変化をレベルメータ１
１で読みとることにより、振音板６に加わる音圧
を、またスペクトルアナライザ１０で周波数を測
定することにより、振動被測定面１２に振動を検
出することができる。
尚、本実施例では光フアイバ端面や反射室５な
どから光分岐器２に入射する光のうち、一部は光
分岐器２を透過しレーザ光源１へともどる。この
ためレーザ光源１を安定化するためにレーザ光源
１と光分岐器２との間に光アイソレータを挿入
し、光分岐器からの反射波を阻止する構成として
もよい。また、レンズ５を省き構成を簡素化して
もよい。
どから光分岐器２に入射する光のうち、一部は光
分岐器２を透過しレーザ光源１へともどる。この
ためレーザ光源１を安定化するためにレーザ光源
１と光分岐器２との間に光アイソレータを挿入
し、光分岐器からの反射波を阻止する構成として
もよい。また、レンズ５を省き構成を簡素化して
もよい。
発明の効果
本発明は、レーザ光源、光分岐器、光フアイ
バ、くり返し多重反射室、受光器の同一構成要素
で振動速度を非接触で、音圧を高感度で測定でき
る。このセンサは、振動計測、音響計測など単独
の計測センサとして利用できるだけではなく同一
のセンサで振動センサは周波数変化、音響センサ
は強度変化として同時に計測でき、また騒音計測
や解析等において騒音の発生源である振動源と騒
音とを同時に計測したいという要望も強いが、こ
のような要望にも対応することができる。
バ、くり返し多重反射室、受光器の同一構成要素
で振動速度を非接触で、音圧を高感度で測定でき
る。このセンサは、振動計測、音響計測など単独
の計測センサとして利用できるだけではなく同一
のセンサで振動センサは周波数変化、音響センサ
は強度変化として同時に計測でき、また騒音計測
や解析等において騒音の発生源である振動源と騒
音とを同時に計測したいという要望も強いが、こ
のような要望にも対応することができる。
また電流洩れがほとんどないため体内振動セン
サや音響センサとして利用できる。またレーザ光
であるので、光フアイバが途中で折れても火花放
電をすることはなく防爆性を要求される工場プラ
ント等で安全に使用することができる。さらに光
フアイバであるので電磁誘導の影響を受けない等
多くの利点を有する。
サや音響センサとして利用できる。またレーザ光
であるので、光フアイバが途中で折れても火花放
電をすることはなく防爆性を要求される工場プラ
ント等で安全に使用することができる。さらに光
フアイバであるので電磁誘導の影響を受けない等
多くの利点を有する。
第１図は本発明の一実施例における振動音響複
合センサの構成図、第２図は同要部構成図、第３
図は同多光束干渉系を説明するための動作説明
図、第４図は同位相差と強度反射係数の関係を示
す特性図、第５図は同動作原理図である。 １……レーザ光源、２……光分岐器、３……フ
アイバ、４……レンズ、５……くり返し多重反射
室、６……半透過平面受音振動板、７……センサ
ヘツド、８……受光器、１０……スペクトルアナ
ライザ、１１……レベルメータ、１２……振動被
測定面。
合センサの構成図、第２図は同要部構成図、第３
図は同多光束干渉系を説明するための動作説明
図、第４図は同位相差と強度反射係数の関係を示
す特性図、第５図は同動作原理図である。 １……レーザ光源、２……光分岐器、３……フ
アイバ、４……レンズ、５……くり返し多重反射
室、６……半透過平面受音振動板、７……センサ
ヘツド、８……受光器、１０……スペクトルアナ
ライザ、１１……レベルメータ、１２……振動被
測定面。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 １ レーザ光源と、上記レーザ光源と光学的に結
合された光分岐器と、上記光分岐器と光学的に結
合された光フアイバと、上記光フアイバの出射端
面と上記光フアイバ出射端面に対向して、平行に
配置された光半透過受音振動板とで入射光のくり
返し多重反射を形成するくり返し多重反射室と、
上記光分岐器と光学的に結合された受光器とを有
し、上記光半透過受音振動板の変位を上記くり返
し多重反射室におけるレーザ光の反射干渉による
反射波にもとづき光の強度変調として検出する音
響検出部と、上記光半透過受音振動板を透過し振
動被測定面で反射されたレーザ光にもとづき振動
速度を検出する振動検出部とを具備してなる振動
音響複合センサ。 ２ くり返し多重反射室のフアイバ端面には、上
記くり返し多重反射室への入射光を平行光となる
ようにレンズを設けた特許請求の範囲第１項記載
の振動音響複合センサ。 ３ くり返し多重反射室の光フアイバ端面を光半
透過受音振動板とほぼ同一の光反射率となるよう
端面処理をした特許請求の範囲第１項記載の振動
音響複合センサ。 ４ レーザ光源と光分岐器との間に、アイソレー
タとを挿入した特許請求の範囲第１項記載の振動
音響複合センサ。 ５ くり返し多重反射室側のレンズ端面を光半透
過受音振動板とほぼ同一の光反射率となるよう端
面処理をした特許請求の範囲第２項記載の振動音
響複合センサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24378484A JPS61120925A (ja) | 1984-11-19 | 1984-11-19 | 振動音響複合センサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP24378484A JPS61120925A (ja) | 1984-11-19 | 1984-11-19 | 振動音響複合センサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPS61120925A JPS61120925A (ja) | 1986-06-09 |
| JPH0544967B2 true JPH0544967B2 (ja) | 1993-07-07 |
Family
ID=17108914
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP24378484A Granted JPS61120925A (ja) | 1984-11-19 | 1984-11-19 | 振動音響複合センサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPS61120925A (ja) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5450752A (en) * | 1989-08-29 | 1995-09-19 | Regents Of The University Of California | Ultrasonic position sensor for measuring movement of an object |
| JP2004133596A (ja) * | 2002-10-09 | 2004-04-30 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | プラント監視システム |
-
1984
- 1984-11-19 JP JP24378484A patent/JPS61120925A/ja active Granted
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPS61120925A (ja) | 1986-06-09 |
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