CN101871807A

CN101871807A - 次声波检测装置及次声波检测方法

Info

Publication number: CN101871807A
Application number: CN 201010151990
Authority: CN
Inventors: 唐小煜; 黄佐华; 林丽芬; 沈娴; 吴丽菲
Original assignee: South China Normal University
Current assignee: South China Normal University
Priority date: 2010-04-16
Filing date: 2010-04-16
Publication date: 2010-10-27
Anticipated expiration: 2030-04-16
Also published as: CN101871807B

Abstract

本发明涉及一种次声波检测装置，包括一激光器和一振膜单缝装置。该激光器用以产生一激光光束。该振膜单缝装置，包括两个刀片和一灵敏膜片。两个刀片设置在同一平面上并相互分离形成一单缝；其中一刀片设置在灵敏膜片的形变区域上。灵敏膜片设于次声波区域内。该激光光束通过该单缝并产生单缝衍射条纹。当有次声波使灵敏膜片产生振动而引起刀片的微振，从而改变所述单缝的缝宽，进而使所述单缝衍射条纹产生变化。本发明的次声波检测装置利用光束的单缝衍射条纹检测次声波，整体结构简单，对器件的加工精度要求不高，制作成本低且易于实现。

Description

次声波检测装置及次声波检测方法

技术领域

本发明属于次声波检测领域，尤其是涉及一种采用单缝衍射检测次声波的次声波检测装置。

背景技术

次声波的频率范围在20Hz以下，是人耳听不到的声波。目前，检测次声波的检测装置一般是电容式次声传感器，主要分为单电容和双电容两种。

请参阅图1，其是现有技术单电容次声检测装置的结构示意图。该单电容次声检测装置10包括一密封容器12、一极板14、一灵敏膜片16和一次声接收电路18。该极板14固定在密封容器12内，并将该密封容器12分隔出前腔122和后腔124。该前腔122和后腔124通过一毛细泄露管126在外部连通。该灵敏膜片16放置在前腔122内，与极板14平行；与灵敏膜片16平行相对的前腔122的容器壁上具有一进气孔128。该极板14接地，该灵敏膜片16与次声接收电路18电连接。

该灵敏膜片16和极板14组成了一个可变电容Cx。次声波通过进气孔128进入到前腔122作用于灵敏膜片16，灵敏膜片16发生振动形变，使其与极板14之间的距离改变，从而使该可变电容Cx的电容值改变。次声接收电路18将电容值的改变信息进一步转换为电子数字输出，从而实现了声电转换检测次声波的相关信息。

请同时参阅图2，其是图1所示次声接收电路18的电路原理图。该次声接收电路18包括一555处理芯片182、一8254单片机184、由灵敏膜片16和极板14组成的可变电容Cx、一电阻和一定值电容C1。该定值电容C1的电容值为0.01μF。该555处理芯片182的第4、8引脚接入电源Vcc；电源Vcc通过电阻Rx与555处理芯片182的第7、6引脚连接，并通过可变电容Cx接地；555处理芯片182的第5引脚通过定值电容C1接地；555处理芯片182的第3引脚接入8254单片机184。该555处理芯片和可变电容Cx组成单稳触发器对该可变电容Cx电容量的变化进行调制。在没有触发脉冲时，第2引脚端一直为高电平，第3引脚端输出为低电平。当触发脉冲到达，跳变到Vcc/3以下时，第3引脚端跳变为高电平，电路进入暂稳态。Vcc经过电阻Rx向可变电容Cx充电，当可变电容Cx电压充至2Vcc/3时，第3引脚端被置零，处于低电平。同时可变电容Cx迅速放电，电路恢复到稳态。输出的脉冲宽度等于暂稳态持续时间，而暂稳态的持续时间取决于外接电阻Rx和电容Cx的大小，即

t_w＝1.1RxCx

所以当电容Cx变化时，555处理芯片182的第3引脚端输出的脉冲宽度发生变化。输出的脉冲送至脉宽测量电路测量脉冲的宽度，最后输出送到8254单片机184中。

请参阅图3，其是现有技术双电容次声检测装置的结构示意图。该双电容次声检测装置20包括一密封容器22、一前极板24、一后极板25、一灵敏膜片26和一次声接收电路28。灵敏膜片26将该密封容器22分隔出前腔222和后腔224，该前腔222和后腔224通过一毛细泄露管226在外部连通。前极板24和后极板25分别固定设置在前腔222和后腔224内，并与该灵敏膜片26等距平行。与灵敏膜片26平行相对的前腔222的容器壁上具有一进气孔228。该灵敏膜片26接地，前极板24和后极板25与次声接收电路28电连接。

同理，该灵敏膜片26和前极板24及后极板25组成了一个可变电容Cx。次声波通过进气孔228进入到前腔222，由于前腔222和后腔224的压力变化，灵敏膜片26形变，使其与两极板24、25之间的距离改变，从而使该可变电容Cx的电容值改变。次声接收电路28将电容值的改变信息进一步转换为电子数字输出，从而实现了声电转换检测次声波的相关信息。

上述的电容次声检测装置要求结构精细，设计严密，选材严格，特别是加工精度要非常高，其主要零件都要求超精加工。例如，为得到均匀一致的可变电容，极间距的偏差必须小于0.5μm，光洁度要达到镜面。为保证长期稳定性，要选用最好的绝缘体，系统内还要求超高洁净度等。还必须考虑环境条件对系统劲度的影响，环境温度变化所引起传感器的‘零飘’问题。除此之外，电容型次声测量应用范围仅限于地震监测，市场价格高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种单缝衍射的次声波检测装置。

同时，本发明还提供了一种通过单缝衍射检测次声波的方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种次声波检测装置，包括一激光器和一振膜单缝装置。该激光器用以产生一激光光束。该振膜单缝装置，包括两个刀片和一灵敏膜片。两个刀片设置在同一平面上并相互分离形成一单缝；其中一刀片设置在灵敏膜片的形变区域上。灵敏膜片设于次声波区域内。该激光光束通过该单缝并产生单缝衍射条纹。当有次声波使灵敏膜片产生振动而引起刀片的微振，从而改变所述单缝的缝宽，进而使所述单缝衍射条纹产生变化。

一种次声波检测方法，包括如下步骤：A)在一单缝装置上设置一振动灵敏薄膜，使所述振动灵敏薄膜随次声波微振时影响所述单缝装置的缝宽；产生一激光光束，通过所述单缝装置并产生第一单缝衍射条纹；B)产生一次声波影响所述灵敏薄膜振动，从而影响所述单缝装置的缝宽，产生一第二单缝衍射条纹；C)比较所述第一单缝衍射条纹和第二单缝衍射条纹的变化，获得所检测的次声波的信息。

相对于现有技术，本发明的次声波检测装置利用光束的单缝衍射条纹检测次声波，整体结构简单，对器件的加工精度要求不高，制作成本低且易于实现。

相对于现有技术，本发明的次声波检测方法将单缝衍射的条纹与缝宽相关的原理应用于检测次声波，提供了一种检测次声波的新的方法。

为了能更清晰的理解本发明，以下将结合附图说明阐述本发明的具体实施方式。

附图说明

图1是现有技术单电容次声检测装置的结构示意图。

图2是图1所示次声接收电路的电路原理图。

图3是现有技术双电容次声检测装置的结构示意图。

图4是本发明次声波检测装置较佳实施方式的主视图。

图5是图4所示次声波检测装置的俯视图。

具体实施方式

请参阅图4，其是本发明次声波检测装置的主视图。该次声波检测装置100包括依序排列在一条直线上的一激光器110、一扩束器120、一振膜单缝装置130、一偏振片140、和CCD(电荷耦合元件)光接收系统150，此外还包括一单片机和显示屏(图未示)。

请同时参阅图5，其是图4所示次声波检测装置的俯视图。该振膜单缝装置130包括一第一刀片132a、一第二刀片132b和一灵敏膜片134。该第一刀片132a和第二刀片132b设置在与激光光轴垂直的平面上，并分离形成一单缝A，激光从该单缝A中穿过。该灵敏膜片134设置在同时与激光光轴以及单缝A平行的平面上，并与第一刀片132a垂直接触。

该CCD光接收系统150设置在以遮光圆筒内(图未示)，从而有效降低环境光对该CCD光接收系统150的影响。此外，由于CCD的感光范围较小，容易出现过亮而饱和，因此该偏振片140用以调整进入该CCD光接收系统150光束的亮度。

该激光器110产生一激光光束，通过扩束器120的扩展后，到达振膜单缝装置130。激光光束通过单缝A时发生了单缝衍射，产生了稳定的衍射条纹，该衍射条纹的光强通过偏振片140的调整后，在该CCD光接收系统150中成像。CCD光接收系统150将成像的光信号转换为数字电信号，经过单片机的处理后，通过外接显示屏显示成像的数字信息。由于衍射条纹中的亮条纹的宽度与单缝A的宽度以及单缝A和CCD光接收系统150(即接收屏)之间的距离相关，当单缝A和CCD光接收系统150之间的距离不变、且激光光源稳定时，衍射条纹中的亮条纹的宽度则仅与单缝A的宽度有关。

当有次声波到达时，次声波的波动带动灵敏膜片134随之振动。灵敏膜片134的振动则使与其接触的第一刀片132a产生微振，从而使单缝A的缝宽发生变化。当单缝A的缝宽发生变化时，激光光束通过单缝A的衍射条纹会发生很明显的变化，通过CCD光接收系统150的拍摄成像并转换为数字电信号，经过单片机处理后，可在外接显示屏显示出次声波的相关信息。

在本实施例中，该次声波检测装置100主要用于检测次声波的强度和频率，以下分别说明检测次声波强度和频率的原理。

次声波波强与单缝衍射条纹的关系为：次声波传播时伴随着能量的传播，次声波的波强反映了次声波的能量，同时也决定了灵敏膜片134随之振动的振幅。忽略外界微小振动、气流等因素，通过振幅传递的线性关系，可以得到灵敏膜片134的振动最大位移与次声波波强成比例。因此，通过CCD光接收系统150读取单缝衍射条纹的宽度变化值，可以计算得到灵敏膜片134的振动最大位移，从而测得次声波的强度。

次声波频率与单缝衍射条纹的关系为：灵敏膜片134是随着次声波的振动而振动，因此灵敏膜片134的振动频率与次声波的振动频率是一致的，而灵敏膜片134的振动频率可通过单缝衍射的衍射条纹变化规律获得。因此，f_单缝宽度＝f_次声波，即单缝衍射条纹的宽度变化频率等于次声波频率；通过CCD光接收系统150读取单缝衍射条纹的宽度变化频率，可以计算得到次声波的频率。

本发明可以具有多种变形实施方式，如该灵敏膜片并非必须与第一刀片直接接触，仅需将该第一刀片设置在所述灵敏膜片的形变区域上，使灵敏膜片的振动可直接引起该第一刀片从而改变单缝缝宽即可，此时需要对测量所得的干涉条纹宽度变化值进行进一步处理后得到最终的次声波强度。此外，本发明还可包括一外壳，所述振膜单缝装置设置在外壳内；与灵敏膜片相对的壳壁上设置一进气孔，使得进入壳内的次声波垂直作用于灵敏膜片。

本发明的次声波检测装置可应用于环境测量、地质地震监测、环境次声波检测等，此外其直观性使其能够作为物理教学仪器使用和科普知识推广与实践运用。

相对于现有技术，本发明利用激光光束通过单缝A的衍射条纹的光强将灵敏膜片134随次声波振动的位移量放大，然后通过对单缝衍射成像的变化量的测量即可得到次声波的振幅和频率等有关参数。该次声波检测装置整体结构简单，各个主要器件的获取渠道方便，对器件的加工精度要求不高，采用普通膜片即可实现次声波的信息转换，打破了传统测量次声波对仪器精度的限制，其制作成本相对低廉，并且对环境条件的要求较低，能够保证长期的稳定性。

本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims

1.一种次声波检测装置，其特征在于：包括

一激光器，用以产生一激光光束；及

一振膜单缝装置，包括两个刀片和一灵敏膜片；所述两个刀片设置在同一平面上并相互分离形成一单缝；其中一刀片设置在所述灵敏膜片的形变区域上；所述灵敏膜片设于次声波区域内；

所述激光光束通过该单缝并产生单缝衍射条纹；

当有次声波使灵敏膜片产生振动而引起刀片的微振，从而改变所述单缝的缝宽，进而使所述单缝衍射条纹产生变化。

2.根据权利要求1所述的次声波检测装置，其特征在于：所述灵敏膜片与在其形变区域上的刀片垂直接触，并与所述单缝和激光光轴平行。

3.根据权利要求1或2所述的次声波检测装置，其特征在于：还包括一CCD光接收系统，所述单缝衍射条纹在该CCD光接收系统中成像。

4.根据权利要求1或2所述的次声波检测装置，其特征在于：还包括一扩束器，设置在所述激光器与振膜单缝装置之间，用以扩展所述激光器发射的激光光束。

5.根据权利要求3所述的次声波检测装置，其特征在于：进一步包括一偏振片，设置在所述振膜单缝装置与所述CCD光接收系统之间，用以调整进入所述CCD光接收系统之间的衍射条纹的光强。

6.根据权利要求3所述的次声波检测装置，其特征在于：进一步包括一单片机和一显示屏，所述单片机与CCD光接收系统电连接，用以处理CCD光接收系统传送的信号，所述显示屏与所述单片机电连接，用以显示单片机处理后的信息。

7.一种次声波检测方法，包括如下步骤：

A)在一单缝装置上设置一振动灵敏薄膜，使所述振动灵敏薄膜随次声波微振时影响所述单缝装置的缝宽；产生一激光光束，通过所述单缝装置并产生第一单缝衍射条纹；

B)产生一次声波影响所述灵敏薄膜振动，从而影响所述单缝装置的缝宽，产生一第二单缝衍射条纹；C)比较所述第一单缝衍射条纹和第二单缝衍射条纹的变化，获得所检测的次声波的信息。

8.根据权利要求7所述的次声波检测方法，进一步包括以下步骤：利用一光电转换系统将所述第一单缝衍射条纹和第二单缝衍射条纹的变化转换为电信号。

9.根据权利要求7所述的次声波检测方法，进一步包括以下步骤：检测所述第一单缝衍射条纹和第二单缝衍射条纹的宽度变化值，计算获得所检测的次声波的强度值。

10.根据权利要求7所述的次声波检测方法，进一步包括以下步骤：检测所述第二单缝衍射条纹的宽度变化频率，获得次声波频率。