レーザードップラー振動計
レーザードップラー振動計の基本コンポーネント

レーザードップラー振動計（LDV ）は、表面の非接触振動測定に使用される科学機器です。LDVからのレーザービームは測定対象表面に照射され、表面の動​​きによる反射レーザービーム周波数のドップラーシフトから、振動の振幅と周波数が抽出されます。LDVの出力は通常、レーザービームの方向に沿った測定対象物の速度成分に 正比例する連続的なアナログ電圧です。

LDVが加速度計などの類似の測定装置に比べて優れている点は、アクセスが困難な対象物や、物理的なトランスデューサーを取り付けるには小さすぎたり高温になりすぎたりする対象物にもLDVを向けることができることです。また、LDVは対象物に質量負荷をかけずに振動測定を行うため、 MEMSデバイス にとって特に重要です。

動作原理

振動計は一般に2ビームレーザー干渉計であり、内部の参照ビームとテストビームの周波数（または位相）差を測定します。LDVで使用される最も一般的なレーザーの種類はヘリウムネオンレーザーですが、レーザーダイオード、ファイバーレーザー、Nd:YAGレーザーも使用されます。テストビームはターゲットに向けられ、ターゲットからの散乱光が集められ、光検出器（通常はフォトダイオード）上で参照ビームと干渉します。市販の振動計のほとんどは、既知の周波数シフト（通常は30～40 MHz）をビームの1つに加えるヘテロダイン方式で動作します。この周波数シフトは通常、ブラッグセルまたは音響光学変調器によって生成されます。 [ 1 ]

典型的なレーザー振動計の概略図を上図に示します。周波数 f oを持つレーザービームは、ビームスプリッターによって基準ビームとテストビームに分割されます。テストビームはブラッグセルを通過し、周波数シフト f bが加えられます。この周波数シフトされたビームはターゲットに向けられます。ターゲットの動きによって、ビームには f d = 2*v(t)*cos(α)/λ で表されるドップラーシフトが加わります。ここで、v(t) は時間の関数としてのターゲットの速度、α はレーザービームと速度ベクトルの間の角度、λ は光の波長です。

光はターゲットからあらゆる方向に散乱しますが、その一部はLDVによって集光され、ビームスプリッターで反射されて光検出器に到達します。この光の周波数はf o + f b + f dです。この散乱光は光検出器で参照ビームと結合されます。レーザーの初期周波数は非常に高く（> 10 14 Hz）、検出器の応答周波数よりも高くなります。しかし、検出器は2つのビーム間のビート周波数、つまりf b + f d（通常は数十MHzの範囲）には反応します。

光検出器の出力は、ブラッグセル周波数を搬送周波数、ドップラーシフトを変調周波数とする標準周波数変調（FM）信号です。この信号を復調することで、振動する目標物の速度と時間の関係を導出できます。

アプリケーション

LDVは、科学、産業、医療など、幅広い分野で使用されています。以下にいくつかの例を示します。

  • 航空宇宙 – LDVは航空機部品の非破壊検査のツールとして使用されています。[ 2 ]
  • 音響 – LDVはスピーカー設計の標準的なツールであり、楽器の性能診断にも使用されています。[ 3 ]
  • 建築 – LDVは橋梁や構造物の振動試験に使用されています。[ 4 ]
  • 自動車 – LDVは、構造力学、ブレーキ診断、騒音、振動、ハーシュネス（NVH）の定量化、正確な速度の測定など、多くの自動車用途で広く使用されています。 [ 5 ]
  • 生物学 – LDVは鼓膜診断[ 6 ]や昆虫のコミュニケーションなど、多様な用途に使用されてきました。[ 7 ]
  • 校正 – LDVは光の波長に直接校正できる動きを測定するため、他のタイプのトランスデューサーの校正によく使用されます。[ 8 ]
  • ハードディスクドライブ診断 - LDVはハードディスクドライブの解析、特にヘッド位置決めの分野で広く使用されています。[ 9 ]
  • 歯科機器 - LDVは歯科業界で歯科用スケーラーの振動特性を測定し、振動品質を向上させるために使用されています。[ 10 ]
  • 地雷探知 – LDVは埋設地雷の探知に大きな期待が寄せられています。この技術では、スピーカーなどの音源を用いて地面を励起し、地面を微小に振動させます。LDVを用いてその振動の振幅を測定します。地雷埋設地の上空では、地雷-土壌系の共振周波数において地表速度が増加します。シングルビーム走査型LDV [ 11 ] 、 LDVアレイ[ 12 ]、マルチビームLDV [ 13 ]を用いた地雷探知が実証されています。
  • セキュリティ – 非接触振動センサーであるレーザードップラー振動計（LDV）は、遠隔音声取得機能を備えています。視覚センサー（カメラ）の支援により、音声イベントが発生する環境内の様々なターゲットを、LDVによる音響信号収集のための反射面として選択できます。LDVの性能は、レーザービームが照射され、反射されるシーン内の選択されたターゲット（表面）の振動特性に大きく依存します。[ 14 ]
  • 材料研究 – 非接触方式のため、レーザー振動計、特にレーザー走査振動計は、炭素板などの現代材料の表面振動を測定することができます。欠陥のある材料は欠陥のない材料とは異なる振動プロファイルを示すため、振動情報は欠陥の特定と研究に役立ちます。[ 15 ]

種類

周波数分割多重化によるオルゴールのカンチレバーのホログラフィック振動測定[ 18 ] [ 19 ]
  • 3次元振動計 – 標準的なLDVは、レーザービームの方向に沿って対象物の速度を測定します。対象物の速度の3成分すべてを測定するために、3次元振動計は3つの異なる方向から対象物に照射する3本の独立したビームを用いて測定を行います。これにより、対象物の面内および面外の速度を完全に測定することができます。[ 20 ]
  • 回転振動計 – 回転 LDV は回転速度または角速度を測定するために使用されます。
  • 差動振動計 – 差動 LDV は、ターゲット上の 2 つの位置間の面外速度差を測定します。
  • マルチビーム振動計 – マルチビームLDVは複数の場所で同時にターゲットの速度を測定します。[ 21 ]
  • 自己混合振動計– 超小型光学ヘッドを備えたシンプルなLDV構成。[ 22 ]これらは通常、光検出器を内蔵したレーザーダイオードをベースにしています。[ 23 ] [ 24 ]
  • 連続走査レーザードップラー振動計（CSLDV） - 試験片の表面をレーザーで連続的に走査し、同時に複数の点で表面の動きを捉える改良型LDV

参照

参考文献

  1. ^ Lutzmann, Peter; Göhler, Benjamin; Hill, Chris A.; Putten, Frank van (2016). 「Fraunhofer IOSBにおけるレーザー振動センシング：レビューと応用」.光工学. 56 (3) 031215. Bibcode : 2017OptEn..56c1215L . doi : 10.1117/1.OE.56.3.031215 . ISSN  0091-3286 . S2CID  125618909 .
  2. ^ Kilpatrick, James M.; Markov, Vladimir (2008). 「<title>過渡モーダルイメージングと迅速な非破壊検査のためのマトリックスレーザー振動計</title>」. Tomasini, Enrico P (編).第8回レーザー技術による振動測定に関する国際会議：進歩と応用. 第7098巻. p. 709809. doi : 10.1117/12.802929 . S2CID 109520649 . 
  3. ^ Bissinger, George.; Oliver, David (2007年7月). 「伝説の古いイタリア製バイオリンの3Dレーザー振動測定法」(PDF) . Sound and Vibration . 2013年1月24日閲覧.
  4. ^ GmbH, Polytec. 「土木工学」 . www.polytec.com . 2016年7月4日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2013年10月30日閲覧。
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  11. ^ Xiang, Ning; Sabatier, James M. (2000). 「音響-地震結合法を用いた地雷探知測定」. Dubey, Abinash C.; Harvey, James F.; Broach, J. Thomas; 他編.地雷および地雷類似標的の探知および修復技術 V.第4038巻. p. 645. doi : 10.1117/12.396292 . S2CID 12131129 . 
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  16. ^ Laura Rodríguez、「Ariesレーザー振動計による高温表面測定」、VELA。原著論文は2012年6月、AIVELAカンファレンス2012で発表された。
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  20. ^ Jorge Fernández Heredero、「LSVを用いた3D振動測定」。原著論文はAdMet 2012で発表。2012年2月。
  21. ^ Campo, A.; Dirckx, J. (2011). 「弾性血管における脈波速度測定のためのデュアルビームレーザードップラー振動計」 . Proceedings of SPIE . 8011. SPIE: 80118Y. doi : 10.1117/12.902813 . 2025年6月19日閲覧。
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