CN101729967B

CN101729967B - 基于多模干涉的声光转换方法

Info

Publication number: CN101729967B
Application number: CN 200910311675
Authority: CN
Inventors: 郑丹莹; 刘群; 李恩邦
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2009-12-17
Filing date: 2009-12-17
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2029-12-17
Also published as: CN101729967A

Abstract

本发明涉及声光转换、声振动的光学检测方法及麦克风，具体讲涉及基于多模干涉的声光转换方法及光学麦克风。为提供制作成本低廉，灵敏度高，具有商业化的潜在可能并易于实现批量化生产的基于多模干涉的光学麦克风及其振动检测方法。本发明采用的技术方案是，使宽带光源通过可调谐滤波器输出窄带光；使所述的窄带光通过黏贴在振膜上的多模干涉光纤传感器，当振膜感受声波信号发生振动时，将使附着于其上的多模光纤传感器发生形变，从而引起出射光的变化，实现声波振动到光信号的转化；使所述光信号经过光电转换后进行滤波放大处理，驱动扬声器发声，还原声音信号。本发明主要应用于声光转换场合及麦克风的制造。

Description

基于多模干涉的声光转换方法

技术领域

本发明涉及声光转换、声振动的光学检测方法及麦克风，具体讲涉及基于多模干涉的声光转换方法及光学麦克风。

背景技术

麦克风作为一种最常见的声音信号采集工具在国民生产生活的各个方面有着广泛的应用。最早的麦克风主要用在电话上进行远距离的通信。从1962年麦克风发明至今，经过近五十年的发展，传统电学麦克风的技术已经日趋完善和成熟，各种各样不同用途的产品不断问世。随着科学技术的不断发展，麦克风已经不再仅仅应用于远距离的通话，在语音记录，声级振动测量和环境噪声级测量等领域发挥着越来越大的作用。

传统型麦克风是基于声波振动到电学信号的转换，再通过有线或者无线的方式进行传输。这种麦克风存在着一定的局限性和潜在的应用隐患，如面临着易受干扰、易引入噪声、保密性差等问题。此外，在一些复杂的环境下，如核磁共振仪的强磁场和水下等环境，传统电学麦克风无法使用。为解决上述问题，光学麦克风应运而生。

光学麦克风是指应用光学方法将声音的振动信号先转换为光信号进行传输，在接受端再将光信号还原为声音信号。与传统的电学麦克风相比，光学麦克风有以下的明显优势：第一，不受电磁环境的影响。由于直接将声音振动转换为光信号，通过光纤传输到接收端，因此可以工作在各种复杂的电磁环境中。第二，前端无源。可以长时间工作在独立环境中，无需人工补给，可靠性，稳定性高。第三，保密性好。由于光信号本身所具有的特点，信号在传输过程中不易被窃取，能够很好的适应国防应用的需要。

基于光纤传感器的光学麦克风不仅具有良好的抗电磁干扰特性、稳定性以及保密性，而且体积小，结构简单，安全可靠，成为光学麦克风领域的研究热门。其实现光声转换的核心思想是将声波振动所产生的声压作用于光纤传感器，从而引起光纤中光信号强度、相位等参数的变化。按照调制方式的不同，光纤型光学麦克风可分为强度调制型、相位调制型和波长调制型。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种制作成本低廉，灵敏度高，具有商业化的潜在可能并易于实现批量化生产的基于多模干涉的光学麦克风及其振动检测方法。

为达到上述目的本发明采用的技术方案是，基于多模干涉的声光转换方法，包括下列步骤：使宽带光源通过可调谐滤波器输出窄带光；使所述的窄带光通过黏贴在振膜上的多模干涉光纤传感器，当振膜感受声波信号发生振动时，将使附着于其上的多模光纤传感器发生形变，从而引起出射光的变化，实现声波振动到光信号的转化；使所述光信号经过光电转换后进行滤波放大处理，驱动扬声器发声，还原声音信号。

所述使所述的窄带光通过黏贴在振膜上的多模干涉光纤传感器进一步细化为，使窄带光的中心波长固定在多模干涉传感器透射光谱斜率最大处。

基于多模干涉的光学麦克风，包括：宽带光源输出到可调谐滤波器，可调谐滤波器输出到黏贴在振膜上的多模干涉光纤传感器，多模干涉光纤传感器输出到用于对光信号进行光电转换的光电二极管，光电二极管输出的电信号经滤波放大驱动扬声器。

本发明可带来以下技术效果：

本发明采用基于多模干涉原理的新型声波振动测量方法和声光转换方法，实现以光信号作为载体的光学麦克风，不仅结构简单，制作方便而且成本低廉，为光学麦克风的商业化和批量化生产提供潜在可能。本发明采用光波传感声音信号，可以解决传统麦克风易受干扰、保密性差以及在复杂环境下无法使用的问题。

附图说明

图1多模干涉光纤传感器结构。

图2多模干涉光纤传感器透射光谱。

图3本发明中多模干涉光纤传感器、可调谐滤波器的透射光谱，图中：(a)轴向受力的多模干涉光纤传感器透射光谱，(b)可调谐滤波器的透射光谱。

图4基于多模干涉的光学麦克风系统结构图。

图5本发明采用的滤波放大电路结构图。

具体实施方式

本发明提供一种将声波信号转换为光信号进行传输的声波信号传感系统。其中声光转换方法是传感系统的关键，即将声波的震动转换成为光波幅度、相位、频率以及波长等参数的变化的方法。本发明是采用基于多模干涉(MMI)原理的传感器，通过振膜传动，将声波振动转换到光波波长的变化中去，可实现声波信号的抗干扰和高保密性传输。该声波振动检测方法也可广泛应用于其他振动检测领域。

本发明采用可调谐窄带光作为光源和解调装置；采用多模干涉光纤传感器和振膜组合来检测声波振动。将多模干涉光纤传感器黏贴与振膜上，当振膜感受声波信号发生振动时，将使附着于其上的多模光纤传感器发生形变，从而引起出射光的变化，实现了声波振动到光信号的转化。光信号经过光电转换以及滤波放大等处理，即可驱动扬声器发声，还原声音信号。

1声波振动检测装置

声光转换的核心是基于多模干涉的光纤传感器。多模干涉光纤传感器通过在两段单模光纤(SMF)之间无偏心对接一段多模光纤(SMF)制成，如图1所示，类似于三明治结构。

基于多模干涉原理的光纤传感器，大多是应用SMS结构，即将一段多模光纤的两端分别熔接两段单模光纤，作为输入端和输出端。结构如图1所示。这样，当入射光由单模光纤耦合进多模光纤时，会激发起一系列高阶模式，高阶模继续在多模光纤中传播，发生干涉现象，产生能量之间的重新分布。而当MMF的长度和入射波长满足一定条件时，可能会发生自映像效应，即入射光自身的再现(包括振幅和相位)。此即多模干涉和自映像效应。

由于多模干涉效应，在光纤结构和参数一定的前提下，光纤中不同的传输位置上所对应的能量分布是不同的，而同一位置上，由于入射条件的不同(如入射光的波长不同)，其能量分布也是不同的，波长与能量大小存在一一对应的关系。MMF长度为3.58cm的多模干涉光纤传感器的输出光谱如图2所示。

而当外界环境条件发生变化时，由于条件的变化，会引起构成光纤传感器的波导结构发生变化，如折射率的变化以及光纤长度和光纤半径的变化。此时，光纤内部传输的多模干涉光场就会随之发生变化，使得整个多模干涉光纤传感器能量的透射谱改变，透射谱的极值发生相应的移动。例如，给多模干涉光纤传感器施加一定的轴向应力，传感器的透射光谱的极值就会发生改变，如图3所示。对比图2可以看出，多模干涉光纤传感器透射光谱的极值由1559.8nm移动至1554.1nm。

因此，如果将声波振动作用多模干涉光纤传感器上，引起传感器轴向应力的改变，就能使得传感器输出光谱的极值发生改变，从而将声波振动转变为透射光极值波长的变化。该方法也可将其他类型的振动转换为多模干涉光纤传感器透射光极值波长的变化。

2解调方法

若将可调谐窄带光作为光源，将其中心波长固定在多模干涉传感器透射光谱斜率最大处，则传感器透射光谱发生改变会引起出射光的强度发生改变。宽带光源和可调谐滤波器相结合可构成可调谐窄带光源，调节可调谐滤波器的透射中心波长至多模干涉光纤传感器透射谱斜率最大处即可，如图3所示。

基于多模干涉的光学麦克风系统结构如图4所示，宽带光源(BBS)和可调谐滤波器(Tunable filter)组合构成可调谐窄带光源作为系统的输入光源。与振膜相附着的多模干涉光纤传感器作为声光转换部分。光源发出的光进入传感器，如前1部分所述，光经过声波的调制发生强度变化，光电二极管(Photodiode)对光信号进行光电转换，在经过适当的滤波和放大即可驱动扬声器发声，还原声音信号。采用的滤波放大电路结构如图5所示，其中所采用的运放型号为NE5532。光电二极管输出的信号，经过由NE5532构成的反相比例放大器后输出到扬声器。

本发明采用多模干涉的方法将声音信号转化为光信号进行传输，保密性好，并能有效地抵抗电磁波所带来的干扰。该发明采用多模干涉光纤传感器作为核心声光转换元件，灵敏度高，结构简单，制作方便，成本低廉，具有商业化的潜在可能并易于实现批量化生产。此外，该发明所采用的声波振动检测方法，可广泛应用于其他振动检测领域。

本发明是基于多模干涉光纤传感器的光学麦克风，有别于传统电学麦克风的工作方式，将声波振动转化为光信号，可以有效地免疫电磁波和复杂磁场的干扰，能应用于核磁共振的环境和反监听的场合。此外，该发明探头部分采用振膜和光纤传感器相结合，由于前端无源，因此在水下亦可稳定工作，可作为水听器使用。该发明所采用的声波振动检测方法，亦可广泛应用于其他振动检测领域。本发明结构简单，制作方便，成本低廉，具有可观的经济效益和市场前景。

Claims

1.一种基于多模干涉的声光转换方法，其特征是，包括下列步骤：使宽带光源通过可调谐滤波器输出窄带光；使所述的窄带光通过黏贴在振膜上的由两段单模光纤之间无偏心对接一段多模光纤制成的多模干涉光纤传感器，使窄带光的中心波长固定在多模干涉光纤传感器透射光谱斜率最大处，当振膜感受声波信号发生振动时，将使附着于其上的多模干涉光纤传感器发生形变，从而引起出射光的变化，实现声波振动到光信号的转化；使所述光信号经过光电转换后进行滤波放大处理，驱动扬声器发声，还原声音信号。