Une équipe de recherche scientifique de l'Université de Shanghai a récemment développé un microphone ultra-fin entièrement constitué de fibre optique de silice. Son diamètre est aussi fin qu'un cheveu, mais il peut détecter une large gamme de signaux ultrasonores bien au-delà de la limite supérieure de l'audition humaine et peut continuer à fonctionner dans des environnements allant jusqu'à 1 000 degrés Celsius. Étant donné que l'ensemble de l'appareil utilise une structure optique en verre au lieu de composants électroniques traditionnels, il peut toujours maintenir des performances stables dans des températures extrêmement élevées et dans des environnements à fortes interférences électromagnétiques. Il s'agit d'une tentative importante visant à dépasser les limites des capteurs traditionnels dans des conditions de travail extrêmes.
L'équipe de recherche a déclaré qu'une application cible à long terme de ce microphone entièrement fibre serait de le placer directement à l'intérieur d'un transformateur haute tension pour « écouter » les faibles signaux acoustiques des premières pannes d'équipement et émettre des alertes précoces avant que le problème n'évolue vers une panne de courant ou une explosion à grande échelle. L'un des auteurs de l'article, Zhang Xiaobei de l'Université de Shanghai, a souligné que les capteurs électroniques traditionnels sont sujets à des pannes dans des environnements à haute température et sont très sensibles aux interférences dans des champs électromagnétiques puissants. Cependant, le nouveau microphone à fibre optique peut survivre dans des environnements dangereux et est suffisamment sensible pour capturer des signaux subtils dès le stade naissant d’une panne d’équipement.
Les résultats de la recherche ont été publiés dans Optics Express, une revue d'Optica Publishing Group. Ce microphone peut répondre à une gamme de fréquences allant de 40 kilohertz à 1,6 mégahertz, bien au-delà de la plage audible de l'oreille humaine. L'ensemble de la structure de détection est « encapsulée » à l'intérieur d'une fibre optique monomode d'un diamètre de seulement 125 microns, éliminant ainsi le besoin de recourir à un boîtier externe encombrant comme les microphones traditionnels. Les chercheurs ont déclaré que la conception entièrement en fibre lui permet d'être déployé directement à l'intérieur d'équipements industriels avec un espace limité et des environnements difficiles pour réaliser une surveillance en temps réel.
En termes d'idées d'application spécifiques, l'équipe s'est concentrée sur la recherche sur la surveillance des signaux de décharge partielle dans les transformateurs haute tension. La décharge partielle est un type de petit défaut électrique qui peut agir comme un « signe avant-coureur » avant qu'une panne à grande échelle ne se produise. Cependant, en raison de la température élevée et du fort bruit électromagnétique à l’intérieur du transformateur, il est difficile pour les capteurs traditionnels de capturer avec précision ces signaux lorsque l’équipement est en fonctionnement. Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont utilisé l’effet photoélastique des fibres optiques – le phénomène dans lequel les vibrations mécaniques déclenchent de légères modifications de l’indice de réfraction de la lumière dans la fibre optique – pour construire une solution de détection acoustique entièrement basée sur la lumière.
Ce microphone à fibre optique intègre une structure de détection sophistiquée, comprenant un microdiaphragme sensible aux vibrations et des microfaisceaux de verre suspendus à l'intérieur d'une fibre monomode. Les deux forment ensemble une structure interférométrique Fabry-Pérot de haute précision pour mesurer des vibrations extrêmement faibles. Pour créer une structure suspendue à l’intérieur d’une fibre optique aussi étroite, l’équipe de recherche a utilisé un processus de gravure chimique induit par laser picoseconde. Cette technologie de fabrication avancée peut traiter avec précision des structures micro et nanométriques à l’intérieur de matériaux solides.
Afin de vérifier ses performances dans des environnements extrêmes, les chercheurs ont testé le microphone dans un four à 1 000 degrés Celsius pendant 100 minutes. Les résultats ont montré que sa structure et la transmission du signal restaient stables. Les expériences montrent également que le capteur a une réponse acoustique fiable dans une bande de fréquences ultra-large de 40 kilohertz à 1,6 mégahertz, et peut fonctionner normalement dans différents milieux tels que l'air et sous l'eau, démontrant son adaptabilité dans une variété de scénarios d'application.
Zhang Xiaobei a souligné que l'ensemble de la structure d'interférence est intégrée dans une fibre optique « très fine », permettant à cette conception monolithique auto-encapsulée d'être directement déployée dans des environnements à haute température et dans un espace limité sans avoir besoin de coques de protection supplémentaires. L'équipe prévoit que ce microphone devrait être utilisé dans des domaines tels que la surveillance en ligne de l'état des équipements électriques à haute tension, les tests non destructifs industriels, l'imagerie médicale, la surveillance des moteurs aérospatiaux et l'alerte précoce en cas de catastrophe naturelle, fournissant des méthodes de diagnostic acoustique plus précoces et plus précises pour les infrastructures critiques.
À l’avenir, l’équipe de recherche prévoit d’intégrer davantage de modules fonctionnels acoustiques dans l’appareil pour continuer à améliorer la limite de sensibilité. Ils prévoient également d'utiliser une plate-forme de fabrication additive et soustractive composite multi-laser pour combiner l'impression 3D au dioxyde de silicium avec un micro-usinage laser ultra-rapide afin de créer une structure d'emballage entièrement intégrée en silicium plus solide, améliorant ainsi encore la résistance mécanique et les performances de détection du microphone. Les chercheurs affirment que cela ouvrira la voie à son installation et à son application à long terme dans des environnements industriels réels, en particulier à l'intérieur des transformateurs de puissance en fonctionnement, faisant de ce type de microphone à fibre optique un véritable « stéthoscope » fiable dans les environnements extrêmes.