CN108696812A - 光纤光栅麦克风 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种光纤光栅麦克风，包括：主体筒、台阶、微透声孔、底盖、通孔、压环、膜片、顶盖、透声孔、光纤光栅、毛细管。多种结构的结合形成了一个位于光纤光栅麦克风内的空腔，在声学上，由毛细管和空腔组成的声学结构具有低通声滤波功能，较大的静压变化或准静态压强变化，可以通过毛细管传递到空腔中，而高频声波无法通过毛细管传递到空腔中，从而实现对静压和低频压强变化去敏，提高了光纤光栅麦克风的稳定性。

Description

光纤光栅麦克风

技术领域

本发明涉及光学元件领域，具体而言，涉及一种光纤光栅麦克风。

背景技术

光纤麦克风是利用光纤的传光特性以及声波对光纤中的光信号的种调制效应，探测声音信号的传感器。光纤传声器与传统电学传声器相比，在灵敏度、动态范围、环境适应能力、抗电磁干扰能力、可靠性等方面具有明显的优势，特别是光纤麦克风本质无源，可以在煤矿等防爆要求较高的场合应用，且光纤麦克风抗电磁干扰、耐腐蚀，在国防、军事应用领具有重要应用价值。

但是，传统的高灵敏度光纤麦克风的灵敏度达到-62dBre1nm/Pa，而其使用环境往往存在静压变化，例如我国中纬度地区气压日振幅为1～2.5百帕，在低纬地区为2.5～4百帕，而在西藏高原东部边缘的山谷中气压的日振幅有时可达6.5百帕，年变化可能达到几十百帕，对应光纤麦克风的波长变化可达几个nm，非常容易导致失效光纤麦克风采集到的信号失效。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种光纤光栅麦克风，其能实现对静压和低频压强变化去敏，提高稳定性。

本发明的实施例是这样实现的：

一种光纤光栅麦克风，其包括：内壁设有台阶的主体筒、设置在靠近所述台阶一端的顶盖以及设置在所述主体筒另一端的底盖，所述台阶与所述主体筒的内壁形成微透声孔，在所述微透声孔内设置有毛细管，所述顶盖上开设透声孔，在所述顶盖与所述台阶之间依次紧密设置有膜片、压环，所述压环与所述主体筒以及所述底盖之间围成空腔，所述底盖上设置有通孔，在所述空腔内设置有光纤光栅，所述光纤光栅的一端穿过所述压环与所述膜片连接，另一端穿过所述通孔与所述底盖连接，所述毛细管一端与外界连通，另一端与所述空腔连通。

在本发明较佳的实施例中，所述光纤光栅麦克风还包括开设有多个微孔的微孔板，所述微孔板设置在所述压环远离所述膜片的一侧，所述微孔板与所述主体筒以及所述底盖之间围成空腔，所述光纤光栅的一端穿过一个所述微孔与所述膜片连接。

在本发明较佳的实施例中，所述微孔的直径大于光纤外径。

在本发明较佳的实施例中，所述微孔的直径为0.15毫米。

在本发明较佳的实施例中，所述压环的厚度为0.1－0.5毫米。

在本发明较佳的实施例中，所述台阶的数量为两个，其中一个所述台阶与所述主体筒的内壁形成微透声孔，另一个所述台阶与所述主体筒的内壁紧密贴合。

在本发明较佳的实施例中，所述光纤光栅具有初始拉应力，使得所述光纤光栅保持拉直状态。

在本发明较佳的实施例中，所述初始拉应力在0.1牛顿－1牛顿之间。

在本发明较佳的实施例中，所述光纤光栅为光纤布拉格光栅、相移光栅、长周期光栅、光纤激光器、光纤F－P腔中的任意一种。

在本发明较佳的实施例中，所述毛细管由玻璃材质制成。

本发明实施例的有益效果是：本发明实施例提供了一种光纤光栅麦克风，包括：内壁设有台阶的主体筒、设置在靠近所述台阶一端的顶盖以及设置在所述主体筒另一端的底盖，所述台阶与所述主体筒的内壁形成微透声孔，在所述微透声孔内设置有毛细管，所述顶盖上开设透声孔，在所述顶盖与所述台阶之间依次紧密设置有膜片、压环，所述压环与所述主体筒以及所述底盖之间围成空腔，所述底盖上设置有通孔，在所述空腔内设置有光纤光栅，所述光纤光栅的一端穿过所述压环与所述膜片连接，另一端穿过所述通孔与所述底盖连接，所述毛细管一端与外界连通，另一端与所述空腔连通。声学上，由毛细管和空腔组成的声学结构具有低通声滤波功能，较大的静压变化或准静态压强变化，可以通过毛细管传递到空腔中，而高频声波无法通过毛细管传递到空腔中，从而实现对静压和低频压强变化去敏，提高了光纤光栅麦克风的稳定性。

本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明实施例而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明较佳实施例提供的光纤光栅麦克风的一种结构示意图；

图2是本发明较佳实施例提供的光纤光栅麦克风的另一种结构示意图；

图3是本发明较佳实施例提供的光纤光栅麦克风的一种微孔板的结构示意图；

图4是本发明较佳实施例提供的光纤光栅麦克风的幅度响应特性仿真曲线图。

图标：100－光纤光栅麦克风；01－主体筒；011－台阶；012－微透声孔；013－空腔；02－底盖；021－通孔；03－微孔板；031－微孔；04－压环；05－膜片；06－顶盖；061－透声孔；07－光纤光栅；08－毛细管。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

请参照图1，本实施例提供一种光纤光栅麦克风100，其包括：主体筒01、台阶011、微透声孔012、底盖02、通孔021、压环04、膜片05、顶盖06、透声孔061、光纤光栅07、毛细管08。

其中，台阶011设置在主体筒01的内壁上，顶盖06设置在主体筒01靠近台阶011的一端上，底盖02设置在主体筒01的另一端上。

可选的，主体筒01可以为碳纤维圆筒，底盖02可以为碳纤维圆板结构，与主体筒01配合，顶盖06可以为碳纤维圆板，与主体筒01配合。值得说明的是，此处的配合是指底盖02或者顶盖06的外径与主体筒01的内径紧密接触，并进一步通过环氧胶粘接或螺纹连接配合。

当然，台阶011的数量可以为两个，其中一个台阶011与主体筒01的内壁形成微透声孔012，另一个所述台阶011与所述主体筒01的内壁紧密贴合。其中，微透声孔012贯穿其中的一个台阶011，可选的，微透声孔012的直径可以为0.5mm～1mm之间。

底盖02上(例如在底盖02的中心处)可以开设有通孔021。可选的，通孔021的直径可以为0.5mm。

顶盖06上(例如在顶盖06的中心处)开设有透声孔061，可选的，透声孔061的直径大于1mm。

在顶盖06与台阶011之间依次紧密设置有膜片05、压环04。

可选的，膜片05可以为碳纤维或聚合物膜薄圆片，聚合物包括聚酰亚胺、聚四氟乙烯等。其中，顶盖06压紧膜片05，膜片05压紧压环04；膜片05紧贴压环04并与主体筒01配合，这里的配合是指膜片05的外径紧配合主体筒01的内径。膜片05用于感受声音信号，并将声信号传递给光纤光栅07。

可选的，压环04为碳纤维圆环结构，与主体筒01配合并压紧台阶011，使得压环04与主体筒01以及底盖02之间围成空腔013。这里的配合是指压环04的外径紧配合主体筒01的内径，并通过环氧胶粘接。可选的，压环04的厚度可以为0.1mm～0.5mm。

在空腔013内设置有光纤光栅07，所述光纤光栅07的一端穿过所述压环04与所述膜片05连接，另一端穿过底盖02上的通孔021与底盖02连接。

可选的，光纤光栅07，一般为光纤布拉格光栅，也可以是相移光栅、长周期光栅、光纤激光器、光纤F－P腔中的任意一种。

可选的，光纤光栅07的一端可以与膜片05的中心连接，例如，光纤光栅07的一端可穿过膜片05的中心，并通过环氧胶与膜片05粘接；光纤光栅07的另一端穿过通孔021，且在通孔021处与底盖02连接，这里的连接一般是指通过环氧胶粘接。

可选的，光纤光栅07还可以具有一定的初始拉应力，使光纤光栅07保持拉直状态，可选的，初始拉应力为0.1N～1N，对应光纤光栅07的初始波长变化约为100pm～1000pm。

毛细管08设置在微透声孔012内。毛细管08的一端与外界连通，另一端与空腔013连通。

可选的，毛细管08，可以为毛细玻璃管，其外径与微透声孔012配合，穿过微透声孔012并与微透声孔012连接，这里的连接一般指通过环氧胶粘接，毛细管08将空腔013与外界连通，外界的声压变化可以通过毛细管08传递到空腔013中。

光纤光栅07具有特定的反射波长。当有声音时，声压作用到膜片05上，并引起膜片05的振动。膜片05将声压引起的振动传递给光纤光栅07，从而引起光纤光栅07的反射波长发生变化。该变化可通过后续的解调系统采用适当的解调方法(如边沿滤波解调法、匹配光栅解调法、干涉式解调法等)解调出声音信号。

通过膜片05此类片状增敏结构，可以感受声压变化，并传递给光纤光栅07，可以获得极高的声压灵敏度，即光纤光栅07的波长变化幅度与声压变化幅度之比。例如，采用40mm直径、0.2mm厚度的碳纤维膜片05，采用15mm长度的光纤光栅07，通过有有限元仿真，可以计算出，声压灵敏度高于0.5pm/Pa。

声学上，由毛细管08和空腔013组成的声学结构具有低通声滤波功能，截止频率可表示为：

式中，c为声速，S为毛细管08内孔的截面积，l为毛细管08的长度，V为空腔013的体积。较大的静压变化或准静态压强变化，可以通过毛细管08传递到空腔013中，而高频声波无法通过毛细管08传递到空腔013中。

膜片05两侧的声压差导致膜片05发生变形，并带动光纤光栅07的应变发生变化，引起波长变化。膜片05两侧的声压差，由外界声压与空腔013中的声压相减获得，由于空腔013中的声压是外界声压的低通滤波，因此，相减后可以获得高通滤波的响应特性，即：

对于截止频率以下频段的压强变化信号，能完全通过毛细管08，传递进入空腔013，并作用于膜片05面向空腔013的一侧，与外界压强变化直接作用于膜片05背向空腔013的一侧的压力相互平衡，从而使膜片05几乎不发生形变，光纤光栅07几乎不发生波长变化。

对于截止频率以上频段的压强变化信号，由于由毛细管08和空腔013组成的声学结构具有低通声滤波功能，压强变化不能通过毛细管08传递进入空腔013，因此膜片05面向空腔013的一侧没有压强变化作用，外界压强变化直接作用于膜片05背向空腔013的一侧使膜片05发生形变，光纤光栅07发生波长变化。

即，通过引入毛细管08和空腔013组成的平衡静压孔结构，实现了对静压和低频压强变化的去敏，提高了光纤光栅麦克风100的稳定性。

在工程应用中，希望由毛细管08和空腔013组成的声学结构的截止频率尽可能低，以便使得光纤光栅麦克风100具有更宽的频带，更好的低频响应。根据(1)式，减小毛细管08内孔的截面积S或者增大毛细管08的长度l或者增大空腔013的体积V，均可以降低截止频率。本实施例中，毛细管08采用毛细玻璃管，内径0.2mm，长度15mm，空腔013的体积约为4500mm³，计算可得截止频率约为36Hz。

由于采用膜片05增敏的技术方案，膜片05存在谐振频率，导致光纤光栅麦克风100的幅频响应存在谐振峰，影响其性能。为了解决这个问题，可选的，请结合图2以及图3，光纤光栅麦克风100还可以包括开设有多个微孔031的微孔板03。

可选的，微孔板03可以为碳纤维圆板结构，开有若干微孔031，微孔031的直径在0.1mm～0.5mm之间。微孔板03的中心也开设有微孔031，可选的开设在中心的微孔031的直径为0.15mm，即大于光纤外径(0.125mm)0.01mm～0.05mm。

微孔板03设置在压环04远离膜片05的一侧，微孔板03与主体筒01在台阶011处配合，这里的配合是指微孔板03的外径紧配合主体筒01的内径，并进一步通过环氧胶粘接，使得且与主体筒01、底盖02形成空腔013。相应的，光纤光栅07的一端穿过一个所述微孔031与所述膜片05连接。

毛细管08以及微孔板03中的微孔031，还具有阻尼作用，从而抑制谐振频率的幅度值，使光纤光栅麦克风100的幅度响应曲线平滑。由于膜片05存在谐振频率，会导致光纤光栅麦克风100的幅度响应在膜片05的谐振频率处存在一个峰值，通过在膜片05的背面贴近膜片05处增加微孔板03，使膜片05背面的空气在膜片05振动下通过微孔板03中的微孔031流通时产生较大的阻尼，给膜片05的振动引入一个附加阻尼，从而抑制其谐振频率的幅度，使光纤光栅麦克风100的幅度响应曲线平滑，从而实现了谐振频率幅度的抑制，增大了平坦幅频响应范围。

请参看图4，图4是本发明实施例提供的光纤光栅麦克风100的幅度响应特性仿真曲线，其中，虚线为不考虑阻尼的仿真曲线，实线为考虑阻尼的仿真曲线。在毛细管08的阻尼作用下，截止频率f0处的谐振得到抑制，且平坦的幅频响应范围(例如，幅频响应曲线起伏小于3dB)向低频延伸，在微孔板03作用下，高频谐振得到抑制，且平坦的幅频响应范围向高频延伸，从而扩大了光纤光栅麦克风100的平坦幅频响应范围。

综上所述，本发明实施例提供了一种光纤光栅麦克风100，包括：主体筒01、台阶011、微透声孔012、底盖02、通孔021、压环04、膜片05、顶盖06、透声孔061、光纤光栅07、毛细管08。多种结构的结合形成了一个位于光纤光栅麦克风100内的空腔013，在声学上，由毛细管08和空腔013组成的声学结构具有低通声滤波功能，较大的静压变化或准静态压强变化，可以通过毛细管08传递到空腔013中，而高频声波无法通过毛细管08传递到空腔013中，从而实现对静压和低频压强变化去敏，提高了光纤光栅麦克风100的稳定性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤光栅麦克风，其特征在于，包括：内壁设有台阶的主体筒、设置在所述主体筒靠近所述台阶一端的顶盖以及设置在所述主体筒另一端的底盖，所述台阶与所述主体筒的内壁形成微透声孔，在所述微透声孔内设置有毛细管，所述顶盖上开设透声孔，在所述顶盖与所述台阶之间依次紧密设置有膜片、压环，所述压环与所述主体筒以及所述底盖之间围成空腔，所述底盖上设置有通孔，在所述空腔内设置有光纤光栅，所述光纤光栅的一端穿过所述压环与所述膜片连接，另一端穿过所述通孔与所述底盖连接，所述毛细管一端与外界连通，另一端与所述空腔连通。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅麦克风，其特征在于，所述光纤光栅麦克风还包括开设有多个微孔的微孔板，所述微孔板设置在所述压环远离所述膜片的一侧，所述微孔板与所述主体筒以及所述底盖之间围成空腔，所述光纤光栅的一端穿过一个所述微孔与所述膜片连接。

3.根据权利要求2所述的光纤光栅麦克风，其特征在于，所述微孔的直径大于光纤外径。

4.根据权利要求3所述的光纤光栅麦克风，其特征在于，所述微孔的直径为0.15毫米。

5.根据权利要求1所述的光纤光栅麦克风，其特征在于，所述压环的厚度为0.1－0.5毫米。

6.根据权利要求1所述的光纤光栅麦克风，其特征在于，所述台阶的数量为两个，其中一个所述台阶与所述主体筒的内壁形成微透声孔，另一个所述台阶与所述主体筒的内壁紧密贴合。

7.根据权利要求1－6任一所述的光纤光栅麦克风，其特征在于，所述光纤光栅具有初始拉应力，使得所述光纤光栅保持拉直状态。

8.根据权利要求7所述的光纤光栅麦克风，其特征在于，所述初始拉应力在0.1牛顿－1牛顿之间。

9.根据权利要求7所述的光纤光栅麦克风，其特征在于，所述光纤光栅为光纤布拉格光栅、相移光栅、长周期光栅、光纤激光器、光纤F－P腔中的任意一种。

10.根据权利要求1所述的光纤光栅麦克风，其特征在于，所述毛细管由玻璃材质制成。