光の中から音の情報を取り出す方法と光波マイクロホンの基礎に関する研究

Research Project

Project/Area Number	12875078
Research Category	Grant-in-Aid for Exploratory Research
Allocation Type	Single-year Grants
Research Field	Measurement engineering
Research Institution	Kyushu Tokai University
Principal Investigator	園田義人九州東海大学, 工学部, 教授 (90117143)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	佐松崇史九州東海大学, 応用情報学部, 講師 (60299667)
Project Period (FY)	2000 – 2001
Project Status	Completed (Fiscal Year 2001)
Budget Amount *help	¥500,000 (Direct Cost: ¥500,000) Fiscal Year 2001: ¥500,000 (Direct Cost: ¥500,000)
Keywords	レーザ / 可聴音 / 超音波 / マイクロホン / 光回折 / 光応用計測 / 音計測
Research Abstract	本研究は、空中を伝搬する波長の長い可聴音波を、振動板(固体物)を用いることなく、光(レーザ)により直接検出する方法を確立することを目的としている。今回の研究では、可視レーザ光を用い、可聴音を検出する場合の基本的な受音特性、すなわち、周波数特性や受信指向性などを解明するための基礎実験と理論的考察を行った。また、感度や指向性を改善する光学的方法について一部の検討も行った。光源には赤色半導体レーザ(6〜10mW)を用い、プローブ用光ビームは最も基本的な構成として1次元の直線状ビーム(直径3〜4mm)とした。音波は100Hz〜20kHzの周波数である。未だ計測装置全体の信号処理系を最適化しておらずノイズ成分が大きいため、音圧は80〜100dBとした。音源(スピーカー)は無響箱内に設置し、小さな石英レンズ窓を通じてレーザビームを入射した。音場を通過した光ビームに含まれる音波情報は光検出器(フォトダイオード)により検出される。得られた結果を要約すると次の通りとなる。(1)2カ年度の実験を通じ、周波数特性を測定し理論的な予測と比較した。測定結果では、低周波数(長波長)側から高周波(短波長)側になるにつれ信号強度が比例的に増大し、理論的予測とおよそ一致することが分かった。ただし、低周波側では予測値より信号強度が若干大きくなったが、スピーカーから放射される音波の実効幅の影響であると予測された。この右上がりの周波数特性は、信号処理系を改善することで、平坦な特性に変えることができる。(2)直線状のレーザビームによる音検出の指向性を調べた。光ビームを含む面内(水平指向性)と垂直な面内の指向性(垂直指向性)をそれぞれ実験的に調べた。前者は、高周波で鋭く低周波では緩やかな特性となった。後者は、いずれの周波数でも類似の特性を示し、sinφ(φ:入射角)に近い特性を示した。(3)往復する平行光ビームを構成して実験を行った結果、音信号の増幅(SN比の改善)や指向性の変更が図られることを示した。周波数特性、感度指向性などを総合した音波検出用の光波マイクロホンシステムの最適化に関する検討などは今後の課題である。