Ommatidia Q2レーザードップラー振動計を用いたチャープ音響信号の測定と解析
広範囲の周波数帯域にわたる音響振動の遠隔・非接触測定
本試験では、OmmatidiaのQ2レーザードップラー振動計が広帯域の音響チャープ信号を生成、記録、および光学的に測定する能力を実証します。その結果、正確な信号再現と、物理的な接触なしでの信頼性の高い振動測定が確認されました。
試験の目的
本試験の目的は、OmmatidiaのQ2が広範囲の周波数帯域で音響信号を正確に測定する能力、すなわち遠隔音響センシング機器として使用できることを実証することでした。得られた結果は、Q2がプログラムされたチャープを忠実に測定することを示しており、測定された信号が試験中に生成された参照信号と一致していることが分かります。
使用機器
この試験で使用された装置は、Ommatidia LiDAR Q2 レーザードップラー振動計です。これは、FMCWレーザーレーダー（周波数変調連続波）技術に基づいたQシリーズの機器の一部です。Q2は、表面の速度または変位を非接触で測定するために設計された高分解能の装置です。
このシステムには、65本の同時レーザービームで構成される多チャンネルコヒーレント検出アーキテクチャが組み込まれています。フォトニック集積回路（PIC）のおかげで、Q2は複数の光チャンネルを並行して処理でき、振動の同時測定を可能にします。
この実験では、Q2の個別のビーム測定抽出能力を活用し、単一ビームからのデータが使用されました。このアプローチにより、65チャンネルすべてを処理することなく、システムの局所的な挙動を正確に分析できます。
図1：オマティディアのQ2レーザードップラー振動計
実験セットアップ
実験装置により、Q2は信号生成、音響励起、光学振動測定を同時に実行できるようになりました。
図2：実験設定
チャープ生成
Q2は、アナログ出力を介して100～8000 Hzの三角チャープ（1600Hz/sのランプ、700mVの振幅）を発するように構成されました。信号は同時にQ2に再注入され、生成されたチャープをQ2が記録できるようにしました。この記録は、図3に示すスペクトログラムに対応します。主信号 (1) の他に、いくつかのわずかな特徴を観察できます。
- チャープの2次（2）および3次（3）高調波
- 最初の周波数ランプアップの終わりにある広帯域ノイズ
- 1KHzでの一定の信号といくつかの高調波
図3：Q2によって生成されたチャープのスペクトログラム
図4：測定中の内蔵RGBカメラ
スピーカーによる音響再生
生成された信号はラウドスピーカーに注入されました。ラウドスピーカーの振動板は、周波数スイープに従って振動し、音響トランスデューサーに特有の共振、非線形性、およびアーチファクトを示しました。Q2レーザービームは、励起中の実際の振動を測定するために振動板に向けられました。
Q2レーザーを用いた光学測定
Q2レーザードップラー振動計は、ラウドスピーカーの振動板の振動を測定しました。図4に、Q2でキャプチャされた画像を示します。点線は測定ポイントの仮想表現ですが、この実験では1つのレーザービームのみが使用されました。
結果
Q2はドップラー干渉法を用いて振動板の速度v(t)を記録しました。この信号は、後の処理のためにHDF5ファイルに保存されました。v(t)（図5）を用いて短時間フーリエ変換を計算し、測定されたスペクトログラム（図6）を得ました。これには物理的な再生中に生じた歪みが示されています。
スピーカーの振動板上で測定された速度信号（図5）には、機械的トランスデューサーの応答に典型的な振幅変動とノイズが見られます。この信号から再構成されたスペクトログラム（図6）が得られました。チャープは全体的な形状を維持していますが、ホワイトノイズ（図6の垂直線）、共振、およびスピーカー固有の非線形性により、より歪んで鮮明さが欠けて見えます。
図5：Q2によって光学的に測定された速度信号v(t)
図6：v(t)から再構成されたスペクトログラム
結論
このテストにより、Q2が以下の機能を備えていることが確認されました。
理想的な信号と測定された信号の比較により、観察された偏差は主にスピーカーの機械的挙動に起因するものであり、堅牢で正確な性能を持つQ2ジェネレーターによるものではないことが示されています。