麦克风领域搅局者：光学麦克风能“听到”更宽广的声音频谱
2016-06-14 22:31:50   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

麦姆斯咨询 编译

麦姆斯咨询报道，奥地利初创公司Xarion Laser Acoustics GmbH（以下简称Xarion）成立于2012年，是由维也纳技术大学和楼氏电子合作创立的独立公司，即将推出新型无振膜光学麦克风：实现前所未有的声音解析度。

该光学麦克风的工作原理为，利用激光器发射出波长1550nm的电信级红外激光光束，穿过法布里-珀罗标准具（Fabry-Pérot etalon）（实质为间距2mm的两个平行光学反射镜），固态麦克风（无活动部件）记录声压导致的介质中折射率的微小变化。这些微小变化改变了红外激光光束的波长和传输，光学麦克风将这些细微变化转化为声音的测量电信号。

光学麦克风工作原理示意图

Xarion的光学麦克风能够探测到10^-14以下微弱的折射率变化，相对的声压变化则低至1µPa。得益于其光学麦克风的刚性结构，使其不受声音引起的机械共振影响，能够获得非常平坦的频率响应，其频率响应范围从5Hz的次声到MHz范围的超声（在液体中最高达到25MHz）。这使得该光学麦克风能够在一次声音记录中获取较大频谱范围内所有的声学数据，这是传统振膜麦克风无法实现的。

Xarion目前的光学麦克风原型，相对智能手机中的消费类MEMS麦克风尺寸要庞大的多，EETimes通过对Xarion首席执行官Balthasar Fischer的采访，更好地了解了该初创公司的目标市场。

“人们肯定会疑惑，我们为什么要记录那些只有蝙蝠才能听到的声音，” Fischer就发烧级应用打趣到，“我们的光学麦克风能够记录的频率对工业应用具有重要意义，比如无损检测、超声计量、声学流程监测以及医疗影像。”

“当然，作为一家初创公司，我们现在还无法满足大众市场，我们现在的器件相对消费级产品还不具有成本优势，所以对我们来说，最好从利基市场切入。”Fischer说。

“对于无损检测，我们可以在被测物的一侧进行测试操作，在光学麦克风的旁边放置一个发声器，对被测物表面进行2D平板扫描，通过异常的扫描声波图纹识别被测物内部的结构缺陷。”Fischer解释道。

超声扫描碳纤维复合平板，展示其内部缺陷

超声频谱显示新钻头和磨损钻头的声学特征

“对于过程控制，我们可以利用超声波监控高速数控机械，而无视环境噪音，通过集中搜集设备发出的声音信号而获得信息丰富的声学图像，”Fischer说，“效果就像在安静的环境中监测设备。”

Fischer在近期的一篇文章中还描述了另一个应用案例——激光焊接，几百Khz的特定频谱分量的振幅和焊缝熔深存在紧密关联，这是衡量焊接质量的重要数据。

“通过和维也纳医科大学的合作，我们的光学麦克风正用于内窥镜检查评估，我们还在为外科手术设计光声成像解决方案。光学麦克风也同样可以用于皮肤检查，和其它无损检测一样用于皮肤结构分析。利用光学麦克风可以获得暗痣非常清晰的3D成像。”Fischer披露道。

光学麦克风通过超声波扫描识别的美国空军目标解析测试卡（在一块直径1英寸的玻璃上打印黑色测试图纹）

成功打开上述三个应用市场以后，Xarion下一个目标是希望通过汽车产业进入消费类市场。

“因为我们的光学麦克风具有非常好的相位响应，相比传统麦克风，我们的光学麦克风更适于定向录音。利用3~7个麦克风组成的麦克风阵列，我们可以利用聚束算法拾取一个方位的声音，获得更好的语音识别。我们能够实现对某点的声音拾取，而无视周围环境的噪音。”Fischer说，比如可以在嘈杂的车厢内，将光学麦克风指向驾驶者的头部位置。

“从2014年起，Mr Porsche便是我们最大的股东，” Fischer补充道，在不远的将来，当我们的技术成熟以后，相信汽车制造商们会对我们的应用非常感兴趣。

现在，Xarion的目标是为工业应用每年出货数百到数千颗光学麦克风产品，同时Xarion也正和合作伙伴一起在医疗应用领域努力通过相关的法规认证。

“我们现在还处于收支平衡阶段，但是我们已经有了客户，也产生了一些营收。我们只需不断跟进我们的产品开发。但是，我们目前并不急于寻求更多的融资，因为我们已经有了坚强的后盾。”

Xarion的CEO很清楚，他们如果想扩大产量并进入消费类应用市场，必须要进一步缩小产品尺寸并降低成本。

一个完全集成的光学麦克风概念设计，展示了晶圆光学镜片中间的两面发射垂直腔面发射体激光器（VCSEL）

“我们目前正在开发集成垂直腔面发射体激光器的（VCSEL）晶圆级玻璃干涉仪。其中的光学腔体间距将由之前的2mm改为1mm，每块晶圆可以获得数千个这样的干涉仪。当然，这样的光学麦克风的尺寸还是会比MEMS麦克风更大一些，我们也无法通过价格来击败MEMS麦克风，但是，当驾驶者和车载语音导航系统进行对话时，通过光学麦克风获得的极佳的用户体验，将会使我们获得成功。”

光学麦克风的设计参数还可以进一步微调，比如光学腔体的长度、镜面反射率，甚至调整激光器的发射波长。

“我们也可以选择紫外光来提高灵敏度，或者应对那些红外吸收较高的拾音环境。” Fischer说，他们已经收到了这样的开发要求。“对于军事应用，我们可以降低镜面的反射率来降低光学麦克风的灵敏度，用于声压级非常高的拾音环境。在180分贝的环境中，我们需要佩戴双重耳罩以保护我们的耳朵。”