JPS61120925A - 振動音響複合センサ - Google Patents
振動音響複合センサInfo
- Publication number
- JPS61120925A JPS61120925A JP24378484A JP24378484A JPS61120925A JP S61120925 A JPS61120925 A JP S61120925A JP 24378484 A JP24378484 A JP 24378484A JP 24378484 A JP24378484 A JP 24378484A JP S61120925 A JPS61120925 A JP S61120925A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- light
- vibration
- reflection chamber
- laser light
- optical fiber
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
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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)
Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
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 ｉ有し、同時に非接触で振
動源の振動速度ｔ 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
。
音に対する感度とＳ／Ｎ ｉ有し、同時に非接触で振
動源の振動速度ｔ 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ックアップとして、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。
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。
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。
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。
音響センナ（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形 ンデンサゞが使用されている。
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形 ンデンサゞが使用されている。
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〜１ｏｃｍ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０．１人（オングストローム）〜１００
人程度で分解能は０．１人必要であり、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
ることはできなかった。また振動センサは王として接触
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。
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〜１ｏｃｍ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０．１人（オングストローム）〜１００
人程度で分解能は０．１人必要であり、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
ることはできなかった。また振動センサは王として接触
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った。さらに体内振動センナな
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。
やすいなどの問題点があった。さらに体内振動センナな
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ァイバと、上記光
ファイバの出射端面と上記光ファ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
動速度を検出する機動検出部とを具備した構成となって
いる。
、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ァイバと、上記光
ファイバの出射端面と上記光ファ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
動速度を検出する機動検出部とを具備した構成となって
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
位力・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淑変化として振動速度全
検出することができる。
位力・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淑変化として振動速度全
検出することができる。
実施例
以下、不発明の一実施り１ｊについて図面を該照しなが
ら説明する。
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。
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ッタ等の光分
岐器、３は光分岐器２と光学的に結合されｔ光ファイバ
、４は光ファイバ３の出射端部に設けられたレンズで、
レーザ光源１かも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２
０μｍ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４２反射室６．振動板６
とで構成されるセンサヘッドである。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
号を増幅する増耀器、１Ｑは増幅器８の出力信号にもと
つき、周波数変化全検出し、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￥′ｉ振動被測定面である。尚、反射室６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ィ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。
光源１と光学的に結合されたビームスプリッタ等の光分
岐器、３は光分岐器２と光学的に結合されｔ光ファイバ
、４は光ファイバ３の出射端部に設けられたレンズで、
レーザ光源１かも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２
０μｍ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４２反射室６．振動板６
とで構成されるセンサヘッドである。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
号を増幅する増耀器、１Ｑは増幅器８の出力信号にもと
つき、周波数変化全検出し、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￥′ｉ振動被測定面である。尚、反射室６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ィ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不実施例について、以下その動
作を説明する。
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。
この場合は王として、レーザ光源１．光分岐器２２元フ
ァイバ３．レンズ４１反射室６゜振動板６．受光器８．
レベルメータ１１で構成される。
ァイバ３．レンズ４１反射室６゜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で蛍光
器８に進む分岐光と元ファイバ３に直進する直進光とに
分岐される。直進光は光ファイバを経て光ファイバ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６に入る。反射室６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との間で多菫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１反射光は振動板の微少な変
位で強度変調金堂け、変換効率の高い変位センサが得ら
れる。
器８に進む分岐光と元ファイバ３に直進する直進光とに
分岐される。直進光は光ファイバを経て光ファイバ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６に入る。反射室６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との間で多菫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１反射光は振動板の微少な変
位で強度変調金堂け、変換効率の高い変位センサが得ら
れる。
多光束干渉系、すなわちくジ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ｎ。の空気層で
、空気層２２の厚さをｄとする。
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ｎ。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ｉＩ、、
反射光の強度を工７、透過光の第（１）式のようになる
。
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ｉＩ、、
反射光の強度を工７、透過光の第（１）式のようになる
。
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。
うに規定される。
第（１）式で反射率ｒｆパラメータとして位相差δと強
度反射係数Ｉ 、／Ｉエ との関係を第４図に示す。
度反射係数Ｉ 、／Ｉエ 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 ＝
０．６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δｘｎ０・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、強度反射係数工ｒ
／工ｉ 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の微少な変位全検出できる
っ即ち入射音にエリ振動板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。
０．６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δｘｎ０・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、強度反射係数工ｒ
／工ｉ 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の微少な変位全検出できる
っ即ち入射音にエリ振動板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。
この場合は、主としてレーザ光源１．光分岐器２、光フ
ァイバ３．レンズ４．受光器８．スペクトルアナライザ
１ｏで構成される。まずレーザ光源１を出たレーザ光（
振動数ｆ＝Ｃ／λ、Ｃは光速）は、光分岐器２を経て光
ファイバ３に入る。光ファ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＋−１ｆ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Ｊｆ−２■／λを受ける。λはレーザ光
の波長、■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６．光ファイバ３を経て光分岐器２に入射
、及び反射され受光器へ達する。
ァイバ３．レンズ４．受光器８．スペクトルアナライザ
１ｏで構成される。まずレーザ光源１を出たレーザ光（
振動数ｆ＝Ｃ／λ、Ｃは光速）は、光分岐器２を経て光
ファイバ３に入る。光ファ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＋−１ｆ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Ｊｆ−２■／λを受ける。λはレーザ光
の波長、■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６．光ファイバ３を経て光分岐器２に入射
、及び反射され受光器へ達する。
そこで光ファイバ端面で反射する反射光の振動数ｆとト
ップランフ）ｋ受けて反射された反射光の振動数ｆ＋Δ
ｆ とは、受光器８ （ＡＰＤ ） で光ヘテロゲイ
ン検波され、ドツプラソフト成分Δｆが電気信号として
得られる。この周波数変化Δｆをスペクトルアナライザ
１０で検出すると振動速度ｖｌ非接触で測定できる。
ップランフ）ｋ受けて反射された反射光の振動数ｆ＋Δ
ｆ とは、受光器８ （ＡＰＤ ） で光ヘテロゲイ
ン検波され、ドツプラソフト成分Δｆが電気信号として
得られる。この周波数変化Δｆをスペクトルアナライザ
１０で検出すると振動速度ｖｌ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１１で読みとることにエリ
、振音板６Ｖ（加わる音圧を、またスペクトルアナライ
ザ１ｏで周波数を測定することにより、振動被測定面１
２の振動を検出することができる。
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１１で読みとることにエリ
、振音板６Ｖ（加わる音圧を、またスペクトルアナライ
ザ１ｏで周波数を測定することにより、振動被測定面１
２の振動を検出することができる。
尚、本実施例では光ファイバ端面や反射室６など力・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ａｔ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。
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ａｔ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１元分岐器２元ファイバ。
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、音圧を筒感度で測定できる。
を非接触で、音圧を筒感度で測定できる。
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ｔ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。
サとして利用できるだけで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ｔ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ｌよ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、
光ファ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。さらに光ファ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。
響センサとして利用できる。またレーザ光であるので、
光ファ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。さらに光ファ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６図は同動作原理
図である。 １・・・・・・レーザ光源、２・・・・・・光分岐器、
３・・・・・・ファイバ、４・・・・・レンズ、６・・
・・・・くり返し多重反射室、６・・・・・半透過平面
受音振動板、７・・・・・・センサヘッド、８・・・・
・・受光器、１０・・・−・スペクトルアナライザ、１
１・・・・レベルメータ、１２・・・・・・振動被測定
面。 代理人の氏名 弁理士 中 尾 敏 男 ほか１名ＣＩ
＋ｌ Ｑフｍ
城
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６図は同動作原理
図である。 １・・・・・・レーザ光源、２・・・・・・光分岐器、
３・・・・・・ファイバ、４・・・・・レンズ、６・・
・・・・くり返し多重反射室、６・・・・・半透過平面
受音振動板、７・・・・・・センサヘッド、８・・・・
・・受光器、１０・・・−・スペクトルアナライザ、１
１・・・・レベルメータ、１２・・・・・・振動被測定
面。 代理人の氏名 弁理士 中 尾 敏 男 ほか１名ＣＩ
＋ｌ Ｑフｍ
城
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
ファイバと、上記光ファイバの出射端面と上記光ファイ
バ出射端面に対向して、平行に配置された光学透過受音
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、上記光学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、上記光学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ァイバ端面には、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ァイバ端面を光学透過
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。 （６）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 true JPS61120925A (ja) | 1986-06-09 |
| JPH0544967B2 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) |
Cited By (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
Cited By (3)
| 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 |
| US5591914A (en) * | 1989-08-29 | 1997-01-07 | The Regents Of The University Of California | Ultrasonic position sensor |
| JP2004133596A (ja) * | 2002-10-09 | 2004-04-30 | Mitsubishi Heavy Ind Ltd | プラント監視システム |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0544967B2 (ja) | 1993-07-07 |
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