قام فريق بحث علمي من جامعة شنغهاي مؤخراً بتطوير ميكروفون رفيع للغاية مصنوع بالكامل من ألياف السيليكا الضوئية. قطره رقيق مثل الشعرة، لكنه قادر على اكتشاف نطاق واسع من إشارات الموجات فوق الصوتية يتجاوز الحد الأعلى للسمع البشري، ويمكنه الاستمرار في العمل في بيئات تصل إلى 1000 درجة مئوية. نظرًا لأن الجهاز بأكمله يستخدم هيكلًا بصريًا زجاجيًا بدلاً من المكونات الإلكترونية التقليدية، فلا يزال بإمكانه الحفاظ على أداء مستقر في درجات الحرارة المرتفعة للغاية وبيئات التداخل الكهرومغناطيسي القوية. ويعتبر بمثابة محاولة مهمة لاختراق قيود أجهزة الاستشعار التقليدية في ظل ظروف العمل القاسية.
وقال فريق البحث إن التطبيق المستهدف طويل المدى لهذا الميكروفون المصنوع من الألياف بالكامل سيتم وضعه مباشرة داخل محول عالي الجهد "للاستماع" للإشارات الصوتية الضعيفة لأعطال المعدات المبكرة وإصدار تحذيرات مبكرة قبل أن تتطور المشكلة إلى انقطاع التيار الكهربائي على نطاق واسع أو انفجار. وأشار أحد مؤلفي الورقة، تشانغ شياوبي من جامعة شنغهاي، إلى أن أجهزة الاستشعار الإلكترونية التقليدية معرضة للفشل في البيئات ذات درجات الحرارة المرتفعة، كما أنها معرضة بشدة للتداخل في المجالات الكهرومغناطيسية القوية. ومع ذلك، يمكن لميكروفون الألياف الضوئية الجديد البقاء في البيئات الخطرة وهو حساس بدرجة كافية لالتقاط الإشارات الدقيقة في المرحلة الناشئة من فشل المعدات.
تم نشر نتائج البحث في مجلة Optics Express، وهي مجلة تابعة لمجموعة Optica Publishing Group. يمكن لهذا الميكروفون الاستجابة لنطاق تردد يتراوح من 40 كيلو هرتز إلى 1.6 ميجا هرتز، وهو ما يتجاوز النطاق المسموع للأذن البشرية. يتم "تغليف" هيكل الاستشعار بالكامل داخل ألياف ضوئية أحادية الوضع يبلغ قطرها 125 ميكرون فقط، مما يلغي الحاجة إلى الاعتماد على هيكل خارجي ضخم مثل الميكروفونات التقليدية. وقال الباحثون إن التصميم المصنوع من الألياف بالكامل يسمح بنشره مباشرة داخل المعدات الصناعية ذات المساحة المحدودة والبيئات القاسية لتحقيق المراقبة في الوقت الفعلي.
وفيما يتعلق بأفكار التطبيقات المحددة، ركز الفريق على البحث في مراقبة إشارة التفريغ الجزئي في محولات الجهد العالي. التفريغ الجزئي هو نوع من الأعطال الكهربائية الصغيرة التي يمكن أن تكون بمثابة "نذير" قبل حدوث فشل واسع النطاق. ومع ذلك، بسبب ارتفاع درجة الحرارة والضوضاء الكهرومغناطيسية القوية داخل المحول، فمن الصعب على أجهزة الاستشعار التقليدية التقاط هذه الإشارات بدقة أثناء تشغيل المعدات. لحل هذه المشكلة، استخدم الباحثون تأثير المرونة الضوئية في الألياف الضوئية - وهي الظاهرة التي تؤدي فيها الاهتزازات الميكانيكية إلى تغييرات صغيرة في معامل انكسار الضوء في الألياف الضوئية - لبناء حل كشف صوتي يعتمد بالكامل على الضوء.
يدمج ميكروفون الألياف الضوئية هذا بنية استشعار متطورة، بما في ذلك غشاء دقيق حساس للاهتزاز وعوارض زجاجية دقيقة معلقة داخل ألياف أحادية الوضع. يشكل الاثنان معًا هيكل مقياس تداخل Fabry-Perot عالي الدقة لقياس الاهتزازات الصغيرة للغاية. ولإنشاء هيكل معلق داخل مثل هذه الألياف الضوئية الضيقة، استخدم فريق البحث عملية حفر كيميائي مستحثة بالليزر بيكو ثانية. يمكن لتكنولوجيا التصنيع المتقدمة هذه معالجة الهياكل الدقيقة والنانوية بدقة داخل المواد الصلبة.
ومن أجل التحقق من أدائه في البيئات القاسية، اختبر الباحثون الميكروفون في فرن بدرجة حرارة 1000 درجة مئوية لمدة 100 دقيقة. وأظهرت النتائج أن هيكلها ونقل الإشارة ظلا مستقرين. وتظهر التجارب أيضًا أن المستشعر يتمتع باستجابة صوتية موثوقة ضمن نطاق تردد واسع جدًا يتراوح من 40 كيلو هرتز إلى 1.6 ميجا هرتز، ويمكنه العمل بشكل طبيعي في وسائط مختلفة مثل الهواء وتحت الماء، مما يُظهر قدرته على التكيف في مجموعة متنوعة من سيناريوهات التطبيق.
وأشار Zhang Xiaobei إلى أن بنية التداخل بأكملها مدمجة في ألياف بصرية "رفيعة للغاية"، مما يسمح بنشر هذا التصميم المتجانس المغلف ذاتيًا مباشرة في بيئات ذات درجة حرارة عالية ومحدودة المساحة دون الحاجة إلى قذائف واقية إضافية. ويتوقع الفريق أنه من المتوقع استخدام هذا الميكروفون في مجالات مثل المراقبة عبر الإنترنت لحالة معدات الطاقة ذات الجهد العالي، والاختبارات الصناعية غير المدمرة، والتصوير الطبي، ومراقبة محركات الطيران، والإنذار المبكر بالكوارث الطبيعية، مما يوفر طرق تشخيص صوتي مبكرة وأكثر دقة للبنية التحتية الحيوية.
وبالنظر إلى المستقبل، يخطط فريق البحث لزيادة دمج الوحدات الوظيفية الصوتية في الجهاز لمواصلة تحسين حد الحساسية. ويخططون أيضًا لاستخدام منصة تصنيع مضافة وطرحية مركبة متعددة الليزر للجمع بين الطباعة ثلاثية الأبعاد لثاني أكسيد السيليكون والتصنيع الدقيق بالليزر فائق السرعة لإنشاء هيكل تغليف متكامل أقوى من السيليكون بالكامل، وبالتالي تحسين القوة الميكانيكية وأداء الاستشعار للميكروفون. يقول الباحثون إن هذا سيمهد الطريق لتركيبه وتطبيقه على المدى الطويل في البيئات الصناعية الحقيقية، خاصة داخل محولات الطاقة العاملة، مما يجعل هذا النوع من ميكروفونات الألياف الضوئية "سماعة طبية" موثوقة حقًا في البيئات القاسية.