Brevet FR2640456A1 — publié le 19900615

Microphone a detection interférométrique de pression acoustique L'invention concerne les microphones, c est-à- dire les appareils fournissant un signal électrique de sortie représentatif de la pression d'un signal acoustique qu'ils reçoivent. Elle concerne plus particulièrement les microphones destinés à détecter des signaux acoustiques dont la bande de fréquence se place au-dessus de la bande généralement qualifiée de très basse fréquence, c'est-a-dire au-dessus de 20 Hz. Pour ces signaux a détecter, les problèmes principaux auxquels on se heurte lorsqu'on cherche à augmenter la sensibilité et la dynamique de mesure sont liés a la densité spectrale de bruits de toute origine, plutôt qu'aux problèmes de dérive. Il existe de très nombreux types de microphones. Ils utilisent en quasi-totalité un élément de conversion mécanique des oscillations de pression acoustique en déplacement. Ce principe de fonctionnement limite la dynamique en fréquence et surtout en amplitude. Il limite également la fidélité du fait de l'inertie de l'élément de conversion mécanique, qui introduit des défauts de linéarité et une réponse en fréquence variable, même a l'intérieur de la bande utile. La présente invention vise à fournir un microphone ayant une grande linéarité, ayant des caractéristiques reproductibles et, dans un mode avantageux de réalisation, une dynamique très étendue. Elle vise également a fournir un microphone dont les caractéristiques sont peu sensibles aux variations du milieu gazeux de transmission du son, telles que les variations de degré hygrométrique. Dans ce but, l'invention propose notamment un microphone comprenant un espace de référence exempt du signal acoustique F mesurer, caractérisé en ce qu'il comprend un interféromètre optique ayant un bras de référence traversant l'espace de référence et un bras actif dont la longueur est modifiée par le signal acoustique autour d'une valeur sensiblement égale à celle du bras de référence et des moyens pour mesurer les variations de chemin optique du bras actif par rapport au bras de référence, provoquées par le signal acoustique. Du fait que le signal de sortie sera toujours à très bas niveau, les variations de chemin optique seront toujours à très bas niveau ; les moyens due mesure de ces variations mettent avantageusement en oeuvre un asservissement de la différence de marche entre les deux bras à une valeur constante, dans la bande de fréquence allant de zéro jusqu'a la fréquence maximale du signal à étudier. Cet asservissement peut être réalisé en délimitant un des deux bras par un miroir porté par un transducteur, tel qu'une céramique piézo-électrique, ayant une réponse élongation-tension électrique sensiblement linéaire aux faibles amplitudes, en dehors des très basses fréquences : le signal de commande de la céramique piézo-électrique contient alors le signal utile, qu'il est possible d'isoler par filtrage. Lorsque l'on recherche essentiellement une très grande dynamique de mesure, on utilisera avantageusement un microphone dans lequel le signal acoustique a analyser provoque une modification de l'indice du gaz dans un espace traversé par le bras actif. L'absence de tout élément de conversion mécanique dans ce cas, permet d'arriver à une linéarité quasi parfaite, et de fonctionner dans une bande passante allant de 20 Hz jusqu'a 30 kHz au moins, et sur une dynamique supérieure à celle des meilleurs microphones actuels. Dans une variante, le bras actif peut être délimité par un miroir oscillant en réponse au signal actif : dans ce cas, on peut par exemple fixer le miroir å une membrane microphonique. L'utilisation d'une membrane, cette fois aussi transparente que possible du point de vue acoustique présente également un intérêt lorsqutil est nécessaire d'isoler l'atmosphère traversée par le bras de mesure et/ou les éléments interféro- métriques de l'ambiance.Cette solution permet également d'adopter, comme milieu gazeux traversé par le bras de mesure, un gaz organique ayant un indice n tel que n-l soit élevé, notamment lorsqu'au contraire une sensibilité aussi élevée que possible est souhaitable, L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description qui suit de modes particuliers de réalisation donnés à titre d'exemples non limitatifs.La description se réfère aux dessins qui l'accompagnent, dans lesquels - la Figure 1 est un schéma de principe d'un microphone utilisant un interféromètre à deux ondes - la Figure 2 est une courbe représentative des variations du flux lumineux recueilli à la sortie de l'interféromètre en fonction du chemin optique, faisant apparaitre des points nominaux de mesure possible , - la Figure 3, similaire å la Figure 1, est un schéma d'un microphone utilisant un interféromètre Fabry-Pérot. On décrira tout d'abord, en faisant référence à la Figure 1, un microphone à détection par interfFro- mètre à deux ondes, qui présente l'intérêt d'une construction plus simple que celle d'un dispositif à interféromètre Fabry-Pérot, par suite surtout d'une plus grande tolérance sur la géométrie et sur la pureté spectrale de la source lumineuse, ce qui autorise l'emploi d'une diode laser comme source. Avant de décrire les composants du microphone, il est utile de définir son principe de fonctionnement : on divise le faisceau de sortie, d'amplitude A, fourni par une source monomode telle qu'une diode laser, en deux fractions égales suivant deux trajets comportant, l'un, un bras actif, de longueur au repos L1, l'autre un bras de référence de longueur au repos L2 sensiblement égale a L1. Si on désigne par n l'indice du milieu gazeux traversé par les deux bras en l'absence de signal acoustique, par sn la variation de l'indice provoquée par le signal acoustique, et par X la longueur d'onde du faisceau lumineux, le signal d'interférence obtenu en recombinant les faisceaux ayant traversé les deux bras est de la forme Le terme utile dans la formule (1) ci-dessus est sn.Ll.Les variations des termes A, n, L1, L2, autres que commandées, ne constituent des bruits que lorsqu'ils se placent dans la bande du spectre acoustique où s'effectue la mesure, ce qui fait que les dérives lentes peuvent être négligées. Il est possible de maintenir A a une valeur sensiblement constante, par régulation de la source. Le calcul montre que les variations de la longueur d'onde X d'émission d'une diode laser régulée en température sont compatibles avec les précisions å atteindre, lorsqu'on utilise un interféromètre équilibré, c'est-a-dire dans lequel Ll X L2. Dans le mode de réalisation montré en Figure 1, le microphone comporte une source lumineuse monochromatique 10 constituée par une diode laser, éventuellement stabilisée en température, par exemple à l'aide d'un montage å refroidissement par effet Peltier. Pour maintenir constant, à court terme, le terme A de la formule (1) ci-dessus, la source est munie d'un circuit de régulation d'amplitude qui peut avoir une constitution classique, par exemple constituée par une boucle de mesure du flux lumineux et de commande du courant, ayant un amplificateur 14 et un générateur de courant 12. Il existe à l'heure actuelle des diodes laser dont la densité spectrale de bruit en fréquence varie de 10-10/ Hz environ à 10 Hz moins de 10-11/ z au-delà de quelques kHz.Ce bruit est compatible avec la précision à atteindre, même pour des bras courts, de l'ordre de 2x1 cm de longueur. Les diodes laser étant très sensibles à l'énergie ré-entrante, un isolateur optique 16 est interposé sur le faisceau de sortie de la diode pour éviter que les faisceaux de retour n'atteignent la source. On peut notamment utiliser un isolateur optique commercial, tel qu'un dispositif à effet Faraday ou des dispositifs en cascade. Le faisceau sortant de l'isolateur 16 est reçu par une optique collimatrice 18 qui fournit un faisceau parallèle fractionné par des lames à faces parallèles pour constituer un bras actif de longueur au repos L1, défini par un miroir 191, qui traverse un espace soumis à l'action de l'onde acoustique et un bras de référence, de longueur au repos L2 très peu différente de L1, défini par un miroir 192. Les faisceaux optiques des deux bras sont reçus par des détecteurs d'intensité respectifs 201 et 202 à réponse linéaire qui attaquent les deux entrées d'un amplificateur différentiel 22 dont le signal de sortie est de la forme (1) ci-dessus. Les détecteurs 201 et 202 peuvent notamment être constitués par des diodes au silicium, ayant une sensi bilité maximale a 0,8 pm environ, lorsque Ja source est constituée par une diode laser du commerce. Les diodes au silicium sont avantageusement polarisées et associées à des lames séparatrices semi-diélectriques qui permettent de mieux utiliser le flux lumineux. Une première lame 24 par exemple peut être prévue pour transmettre totalement le flux qu'elle reçoit de l'optique collimatrice 18 vers les bras etréfléchir totalement le faisceau en retour vers le détecteur 201, alors que la lame 26 qui délimite les chemins optiques avec les miroirs 191 et 192 reste semi-transparente. Plusieurs méthodes de mesure sont utilisables. Celle montrée en Figure 1 est particulièrement simple lorsque le signal acoustique est à bas niveau et lorsque les flux sortant de l'interféromètre sont approximativement équilibrés. Elle consiste à asservir la différence de marche entre les deux bras à une valeur constante, par commande électrique de l'emplacement d'un des miroirs 191 et 192, la composante du signal électrique de commande située dans la bande de mesure constituant alors le signal utile. Dans le cas montré en Figure 1, c'est le miroir 192 dont la position est asservie. Pour cela, il est porté par un transducteur ayant une caractéristique sensiblement linéaire déplacement-tension de commande. Ce transducteur 24 peut notamment être un pavé de céramique piézo-électrique, qui présente une bonne linéarité à court terme, dans la plage au-dessus de 20 Hz pour des amplitudes de l'ordre du micron. La différence de marche constante à maintenir est choisie de façon à éliminer dans une large mesure le bruit provoqué par les variations d'amplitude. Sur la courbe de variation du signal interférométrique t en fonction de la différence de marche , cette condition est remplie pour des points de fonctionnement qui correspondent au maximum, au minimum et au point d'inflexion de la sinusoide représentant . La détection sur le point d'inflexion C est simple dans le cas d'un interféromètre dont les sorties sont à peu près équilibrées. Elle conduit au montage de la Figure 1, avec simple soustraction des signaux de sortie des deux voies par l'amplificateur différentiel 22, l'une des entrées pouvant comporter des moyens d'ajustage afin d'équilibrer le montage. Le signal différentiel est alors nul, y compris pour le bruit d'amplitude qui se retrouve, avec la même valeur, dans les deux bras de l'interféromètre. L'élimination du bruit dû aux variations de l'amplitude dépend cependant de la linéarité des détecteurs 201 et 202 et de la réjection de mode commun de l'électronique et, notamment, de l'amplificateur 22 qui fournit la tension appliquée au transducteur 24 et à un filtre passe-bande 26 dont la sortie constitue le signal de mesure. Le calcul montre qu'une réjection de 100 dB suffit à éliminer un bruit d'amplitude ayant une valeur efficace de 10-3 dans la bande passante de mesure. La détection sur un extremum, par exemple sur le minimum B (Figure 2), implique d'introduire une modulation de chemin optique dans l'interféromètre, à l'aide du transducteur d'asservissement 24 ou à l'aide d'un autre organe. On choisit avantageusement la fréquence de cette modulation de façon que la puissance de bruit de la source 10 à cette fréquence soit négligeable. Cette solution oblige en général à adopter, comme source 10, un laser å état solide ou à gaz ayant une puissance de bruit négligeable au-dessus de quelques MHz. Il est évidemment possible d'utiliser un interféromètre à deux ondes autre que du type MICHELSON, par exemple de type MACH-ZENDER. Le microphone dont le schéma de principe est donné en Figure 3 utilise, contrairement au précédent, un montage- résonant de type FaLry-Pérot. Dans sa constitution de base, un interféromètre Fabry-Pérot ne comporte pas deux bras séparés dont l'un, préservé du signal acoustique, peut servir de référence. En conséquence, le microphone comporte deux interféromètres Fabry-Pérot ayant des paramètres à peu près identiques, dont l'un peut être considéré comme comportant le bras de mesure et, l'autre, le bras de référence. L'intérêt de l'utilisation d'un interféromètre résonant, et notamment d'un interféromètre Fabry-Pérot, est que les franges d'interférence sont plus fines, ce qui permet d'avoir une sensibilité encore meilleure. La source 10 doit dans ce cas être constituée par un laser de grande pureté spectrale, par exemple par un laser YAG monomode, pompé à l'aide d'une diode laser. Le faisceau de sortie est encore partagé par un miroir 26 en deux fractions égales, dont l'une est dirigée vers l'interféromètre comportant le bras de mesure et l'autre vers l'interféromètre comportant le bras de référence, les deux interféromètres ayant des paramètres sensiblement identiques. Comme le microphone de la Figure 1, celui de la Figure 3, utilise une mesure par asservissement de longueur du chemin optique, avec simplement une mise en oeuvre différente. C'est encore la longueur du chemin optique du bras de référence qui est commandée par une boucle d'asservissement utilisant, comme transducteur, un pavé de céramique piézo-électrique 24. Comme dans le cas précédent, le bras de référence est délimité par un miroir 192 porté par le transducteur 24 et le bras actif de mesure est délimité par un miroir 191. Les détecteurs 201 et 202 peuvent être encore des diodes au silicium. Le bras de mesure ne comportant alors aucun organe de réglage doit cependant rester accordé sur la fréquence optique f0. Etant donné que l'interféromètre fonctionne en réflexion, il faut rechercher un minimum de réflexion pour cette fréquence optique f0. Cette dernière doit donc être stabilisée a partir du signal d'interférence de l'interféromètre comportant le bras de mesure. Pour cela on utilise, dans le cas illustré, une modulation avec un écart de fréquence optique Àf choisi de façon à pouvoir encore être résolu par les interféromètres. A l'accord, les fréquences fO-Af et f0+Af sont réfléchies et tout décalage de l'accord se traduit par un déséquilibre de l'énergie renvoyée ces deux fréquences. L'asservissement de l'interféromètre comportant le bras de mesure s'effectue, dans le cas de la Figure 3, en modulant la fréquence de sortie du laser, par exemple å 15 MHz, et en utilisant une boucle d'asservissement en fréquence. Le faisceau laser traverse, à la sortie de l'isolateur 16 un modulateur 28, par exemple électro-optique ou acousto-optique. Le signal de modulation est fourni å ce modulateur par un oscillateur 30 de stabilité suffisante. Dans la pratique, la stabilité d'un générateur a quartz est suffisante car la détection finale peut utiliser une référence de fréquence issue du même générateur. Le signal fourni par le détecteur 201 associé au bras actif de mesure est soumis å une détection quadratique qui fournit un signal contenant le mélange des différentes fréquences optiques. Ce signal est soumis et à un filtrage d'isolement de la fréquence d'excitation de 15 MHz dans un bloc de mesure 32 qui reçoit une référence de fréquence de l'oscillateur 30. Le signal de sortie du bloc 32 est appliqué à un amplificateur différentiel 34 d'asservissement å zéro commandant un organe de modulation du laser 10, constitué par exemple par une céramique piézo-électrique 36 portant un miroir de délimitation de la cavité résonante du laser. L'utilisation ainsi faite de la sélectivité propre de l'interféromètre utilisé en analyseur de fréquence conduit å une grande sensibilité. La fréquence optique du faisceau fourni par le laser contient donc toutes les fluctuations de longueur du chemin optique de l'interféromètre Fabry-Pérot de mesure et notamment le signal acoustique, mais est débarrassé de ses fluctuations propres en fréquence. En d'autres termes, le spectre optique du faisceau comporte la fréquence propre du laser, encadrée par deux bandes dont l'écartement par rapport å cette fréquence correspond à la fréquence de modulation qui est choisie pour remplir deux conditions : elle n'est pas contenue dans la bande à détecter ; le laser doit avoir un bruit d'amplitude négligeable à cette fréquence. Du fait que le laser 10 est piloté et que sa fréquence varie, l'accord de l'interféromètre Fabry Pérot comportant le bras de référence tend a etre détruit des qu'un signal acoustique est appliqué au bras actif, du fait que ce signal acoustique provoque une modification de f0. En d'autres termes, on utilise le Fabry-Pérot de référence en analyseur du spectre optique du laser, lequel contient le signal acoustique, comme on l'a vu. Cela conduit à commander le transducteur 24 par une boucle similaire à celle qui commande la fréquence f0, ayant un bloc 36 de détection qui attaque un amplificateur 38 d'asservissement å signal détecté nul commandant le transducteur 24.Le signal de mesure est obtenu, à partir du signal de commande du transducteur 24, par un filtre 40 dont la bande passante correspond à la plage de mesure souhaitée, par exemple de 20 Hz a 30 kHz. Le signal de commande ne contient pas de fluctuation de fréquence optique parasite, du fait qu'elle a été éliminée dans la boucle de commande du laser. Le bruit d'amplitude du laser est négligeable au-dessus de 10 MHz, c'est-a-dire dans la plage de modulation. L'invention est susceptible de nombreuses autres variantes de réalisation. On peut en particulier utiliser un interféromètre à deux ondes a plusieurs passes successives pour allonger les bras, ce qui augmente proportionnellement la sensibilité. Cette solution a cependant l'inconvénient de rendre difficile de maintenir l'égalité approximative des longueurs L1 et L2, qui permet d'utiliser une diode laser. Dans un autre mode de réalisation, le microphone utilise, non pas la variation d'indice dans le milieu gazeux traversé par le bras de mesure, mais les déplacements d'un miroir porté par une paroi déformable, telle qu'une membrane, soumise a la pression acoustique et constituant transducteur acoustique. Cette solution peut permettre d'accroitre la sensibilité , mais elle réduit la dynamique et la fidélité, du fait de l'inertie mécanique de la paroi. Il peut également être utile ou nécessaire d'isoler l'atmosphère à l'intérieur du microphone sans en perturber l'acoustique. Cet isolement peut notamment être utile lorsque le microphone doit fonctionner en atmosphère polluée par de l'eau, de la poussière, des fumées, etc. L'emploi d'une membrane aussi transparente que possible å l'excitation, pour que les variations de pression a l'intérieur reflètent exactement le signal appliqué a la membrane, permet d'envisager l'emploi d'un espace de mesure et d'un espace de référence occupés par un gaz ayant un indice n nettement supérieur a 1, ce qui augmente le signal interférométrique dû aux variations d'indice du gaz. I1 est possible de réaliser des membranes répondant å cette condition de transparence, sauf pour les fréquences les plus basses, de nature différente de celle des membranes microphoniques habituelles. REVENDICATIONS 1. Microphone de mesure de signal acoustique dont le spectre est au-dessus de 20 Hz, comprenant un espace de référence exempt du signal acoustique à mesurer, caractérisé en ce qu'il comprend une source de lumière monomode et un interféromètre optique ayant un bras de référence traversant l'espace de référence et un bras actif dont la longueur est modifiée par le signal acoustique autour d'une valeur (L1) sensiblement égale à celle (L2) du bras de référence et des moyens pour mesurer les variations de chemin optique du bras actif provoquées par le signal acoustique. 2. Microphone selon la revendication 1, caractérisé en ce que le bras actif traverse un espace occupé par un milieu gazeux soumis au signal acoustique. 3. Microphone selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que ledit espace est occupé par un milieu gazeux séparé de l'espace extérieur par une membrane déformable. 4. Microphone selon la revendication 1, 2 ou 3, caractérisé en ce que les moyens pour mesurer les variations de chemin optique asservissent la différence de marche entre les deux bras å une valeur constante. 5. Microphone selon la revendication 4, caractérisé en ce que lesdits moyens de mesure comportent un miroir de réflexion (192) placé sur l'un des bras et un transducteur (24) å caractéristique sensiblement linéaire dans la bande spectrale de mesure, commandant la position dudit miroir. 6. Microphone selon la revendication 1, t caractérisé en ce que la longueur du bras actif est déterminée par la position d'un organe matériel déformable en réponse au signal acoustique. 7. Microphone selon l'une quelconque des reven- dications précédentes, caractérisé en ce que l'inter féromètre est a deux ondes et utilise, comme source lumineuse, une diode laser (10) dont le faisceau de sortie est stabilisé en amplitude dans la bande spectrale du signal acoustique a mesurer. 8. Microphone selon l'une quelconque des revendications 1 å 6, caractérisé en ce que l'interféromètre est du type Fabry-Pérot. 9. Microphone selon la revendication 8, caractérisé en ce que le bras actif appartient a un premier interféromètre Fabry-Pérot, tandis que le bras de référence appartient a un second interféromètre, la source commune étant constituée par un laser dont la fréquence de sortie est modulée.