CN110849464A - 一种基于轮毂形振膜的光纤法珀声音传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于轮毂形振膜的光纤法珀声音传感器，所述传感器包括光纤(1)、金属尾柄(2)、玻璃管(3)、陶瓷插芯(4)以及轮毂形振膜(5)；其中光纤(1)端面与轮毂形振膜(5)构成法珀腔，作为光纤法珀声音传感器的敏感单元。所述轮毂形振膜为不同厚度的塑性材料薄板加工成的多辐条对称的轮毂形振膜，其结构包括圆环(6)、辐条(7)和中心振膜(8)。与现有技术相比，本发明的基于轮毂形振膜的光纤法珀声音传感器具具有频率响应范围可定制；整个频域范围噪声平坦，尤其是低于2kHz优势尤其明显；声音灵敏度是参考传感器的1.83倍；传感器方向性较好的优势。
Description
技术领域
本发明涉及声音传感器技术领域，特别涉及一种基于膜片的光纤法珀声音传感器。
背景技术
目前，基于膜片的光纤法珀声音传感器由于灵敏度高、结构紧凑、抗电磁干扰、耐化学腐蚀等优点，已经被广泛应用在水下声源定位、基于光声光谱的气体检测、基于声音特征的机械故障(事件)等领域。为了提高光纤法珀声音传感器的灵敏度、频率响应范围，研究人员演示了基于不同材料的膜片(包括银膜、高分子膜、不锈钢膜、铝膜、石墨烯膜、二氧化硅膜和复合膜)的光纤法珀声音传感器设计结构。这些传感器的结构为圆形膜片和侧向平衡气孔结构。为了获得更高的声音灵敏度，研究人员采用减小膜片厚度和提高膜片的面积来实现。然而这些方法同时提高了传感器的制作难度，降低了传感器的强度、一致性和重复性。所以部分研究人员不再采用完整的圆形膜片，提出了基于结构化的膜片。例如，Hayber等人仿真了基于MEMS工艺的three-leaf-clover振膜，发现其灵敏度比完整的振膜灵敏度提高了5倍，基频降为原来的1/3；Liu等人使用飞秒工艺加工悬臂梁式振膜，实现0.5～4MHz的声音传感；Chen等人演示了基于悬臂梁式不锈钢振膜的光纤法珀声音传感器，实现在1kHz的声场中，声压响应211.2nm/Pa，可检测最小声压级
很显然，通过结构优化后的膜片具有更优异的声学响应特性，同时避免了侧向平衡气孔。然而，飞秒和MEMS工艺限制了膜片的材料的选择和几何结构尺寸，同时昂贵的设备和复杂的工艺造成传感器的制作成本很高。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于轮毂形振膜的光纤法珀声音传感器，通过在膜片上加工出轮毂形结构实现声学性能(声音灵敏度、频率响应范围)的优化增强。
本发明提出一种基于轮毂形振膜的光纤法珀声音传感器，所述传感器包括光纤1、金属尾柄2、玻璃管3、陶瓷插芯4以及轮毂形振膜5；其中光纤1端面与轮毂形振膜5构成法珀腔。
所述轮毂形振膜为不同厚度的塑性材料薄板加工成的多辐条对称的轮毂形振膜，其结构包括圆环6、辐条7和中心振膜8。
当信号发生器16发出的声波作用在法珀声音传感器的膜片上时，膜片上的每一个辐条的挠度ω(x,t)满足动力学方程：
其中，E表示材料的杨氏模量，I表示辐条的转动惯量，μ表示辐条的线密度，2r表示中心振膜的直径，n＝2,3,4表示振膜的辐条数，ω(x,t)表示膜片上坐标x点的在t时刻的挠度，p(t)表示随时间变化的声波；
轮毂形振膜的动力学方程，其边界条件表示为：
其中，2a表示圆环的内径，x＝a和x＝0分别表示辐条的固定端和自由端；
解方程(1)获得辐条的响应频率；
方程(2)的特征方程A(ξ)，表达式如下：
其中，m表示辐条的等效质量，ξ0表示固有角频率，β表示衰减常数，ξ表示谐响应频率，P表示声波强度幅值；
当声波作用在膜片上时，法珀腔的腔长会随声波起伏而发生波动。根据法珀干涉理论，法珀声音传感器18的干涉谱表示为：
其中，λ表示工作波长，I0(λ)表示光源光谱，γ表示传感器的条纹对比度，l表示静态腔长，Δl表示腔长波动，IR(λ)表示反射谱强度。
与现有技术相比，本发明的基于轮毂形振膜的光纤法珀声音传感器具有以下有优点：
(1)频率响应范围可定制；
(2)整个频域范围噪声平坦，尤其是低于2kHz优势尤其明显；
(3)声音灵敏度是参考传感器的1.83倍；
(4)传感器方向性较好。
附图说明
图1为本发明的一种基于轮毂形振膜的光纤法珀声音传感器结构示意图；
图2为轮毂形振膜结构示意图；(2A)是基于亚波长光栅结构示意图；(2B)是基于亚波长光栅剖面结构示意图；
图3为振膜有限元仿真分析结果示意图，(3A)振膜应力分布；(3B)振膜变形；
图4为传感器干涉模型示意图，(4A)传感器干涉模型；(4B)传感器干涉谱；
图5为为声学实验系统原理图；
图6为声学传感器频率响应及时域响应测量信号波形示意图；
图7为在100Hz、3Vpp驱动信号形成的声场作用下，声音传感器和参考传感器(BK4190)响应波形示意图；(7A)声音传感器功率谱密度，(7B)声音传感器测量信号，(7C)参考传感器功率谱密度，(7D)参考传感器测量信号；
图8为在不同幅值的驱动信号形成的声场作用下幅值的变化趋势示意图，(8A)声音传感器的测量信号，(8B)测量信号幅值随信号；
图9为声音传感器性能指表示意图，(9A)声音传感器在不同方位角度上的功率谱密度，(9B)声音传感器的指向性图；
附图标记：
1、光纤，2、金属尾柄，3、玻璃管，4、陶瓷插芯，5、轮毂形振膜，6、圆环，7、辐条，8、中心膜，9、4辐条振膜应力分布，10、4辐条振膜变形分布，11、声音传感器干涉谱，12、声音传感器频率响应曲线，13、声音传感器功率谱密度，14、参考传感器(BK4190)测量信号，15、声音传感器测量信号，15、折射率重复测量数据，16、信号发生器，17、参考传感器，18、法珀声音传感器，19、数据采集卡及处，20、耦合器，21、光电探测器，22、窄线宽激光器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对限制本发明保护范围的依据。
如图1所示，为本发明的一种基于轮毂形振膜的光纤法珀声音传感器结构示意图。
传感器结构包括光纤1、金属尾柄2、玻璃管3、陶瓷插芯4以及轮毂形振膜5。其中光纤1端面与轮毂形振膜5构成法珀腔。
如图2所示，为轮毂形振膜结构示意图。不同厚度的塑性材料薄板(不锈钢、铝、铜)被加工成2辐条、3辐条、4辐条等对称的轮毂形振膜，其结构包括圆环6、辐条7、中心振膜8。
通过在膜片上加工出轮毂形结构实现声学性能(声音灵敏度、频率响应范围)的优化增强；同时，材料容易获得，采用激光切割的方式实现膜片的批量一致，所以传感器的加工制作成本显著降低，具有很高的商用价值。通过与目前电容式商业声音传感器相比具有明显的性能和成本优势
1)通过改变轮毂形膜片的可变设计参数(辐条宽度w，厚度t，中心振膜直径2r，辐条数量n)的不同取值，实现传感器频率响应范围的定制化设计。
2)该类传感器具有全频域噪声水平平坦，尤其是低频响应好，倍频衰减迅速。
3)传感器相的声学灵敏度约为商用传感器BK4190的1.83倍。
4)该类传感器0～360度范围内，具有很好的指向性
本发明的一种基于轮毂形振膜的光纤法珀声音传感器，使用具有轮毂形结构的振膜作为光纤法珀声音传感器的敏感单元，这是区别于其他光纤法珀声音传感器的重要特征。其他光纤法珀声音传感器例如：
(1)J.Ma,M.Zhao,X.Huang,H.Bae,Y.Chen,and M.Yu,“Low cost,highperformance white-light fiber optic hydrophone system with a trackableworking point,”Opt.Express 24(17),19008–19019(2016).
(2)M.Liu,L.Nie,G.Zhang,W.Zhang,and J.Zou,“Realization of a compositeMEMS hydrophone without left-right ambiguity,”Sensors and Actuators A 272,231-241(2018).
(3)Z.Gong,K.Chen,Y.Yang,X.Zhou and Q.Yu,“Photoacoustic spectroscopybased multi-gas detection using high-sensitivity fiber-optic low-frequencyacoustic sensor,”Sensors andActuators B 260,357-363(2018).。
利用如图5所示的声学实验原理图进行声学实验，得出以下的实验结果。虚线表示电信号，实线表示光信号。信号发生器(19)产生一个正弦型驱动信号，用来驱动扬声器()；从而在传感器(18)和参考传感器(17)周围形成一个正弦型声场；窄线宽激光器(22)发出的光通过耦合器(20)进入传感器(18)；当声波做用在轮毂形振膜(5)上时，振膜会在声波的作用下产生振动，从而周期性的改变传感器的腔长，进而调制由振膜反射的反射光；总反射光再次通过耦合器进入光电探测器(21)；数据采集卡及数据处理单元(19)同时采集光电探测器(21)和参考传感器(17)的信号并进行频谱分析(如功率谱密度(PSD))。
当信号发生器16发出的声波作用在法珀声音传感器18的膜片上时，膜片上的每一个辐条的挠度ω(x,t)满足动力学方程，
其中，E表示材料的杨氏模量，I表示辐条的转动惯量，μ表示辐条的线密度，2r表示中心振膜的直径，n＝2,3,4表示振膜的辐条数，ω(x,t)表示膜片上坐标x点的在t时刻的挠度(变形量)，x表示坐标轴，t表示时间；p(t)表示随时间变化的声波。
轮毂形振膜的动力学方程，其边界条件表示为：
其中，2a表示圆环的内径，x＝a和x＝0分别表示辐条的固定端和自由端。
解方程(1)获得辐条的响应频率(辐条的响应频率等效为膜片的动态响应)，
方程(2)的特征方程A(ξ)，表达式如下：
其中，m表示辐条的等效质量，ξ0表示固有角频率，β表示衰减常数，ξ表示谐响应频率，P表示声波强度幅值。
当声波作用在膜片上时，法珀腔的腔长会随声波起伏而发生波动。根据法珀干涉理论，法珀声音传感器18的干涉谱表示为：
其中，λ表示工作波长，I0(λ)表示光源光谱，γ表示传感器的条纹对比度，l表示静态腔长，Δl表示腔长波动，IR(λ)表示反射谱强度。
Claims (3)
1.一种基于轮毂形振膜的光纤法珀声音传感器，其特征在于，所述传感器包括光纤(1)、金属尾柄(2)、玻璃管(3)、陶瓷插芯(4)以及轮毂形振膜(5)；其中光纤(1)端面与轮毂形振膜(5)构成法珀腔，作为光纤法珀声音传感器的敏感单元。
2.如权利要求1所述的一种基于轮毂形振膜的光纤法珀声音传感器，其特征在于，所述轮毂形振膜为不同厚度的塑性材料薄板加工成的多辐条对称的轮毂形振膜，其结构包括圆环(6)、辐条(7)和中心振膜(8)。
3.如权利要求1所述的一种基于轮毂形振膜的光纤法珀声音传感器，其特征在于，当信号发生器16发出的声波
作用在法珀声音传感器的膜片上时，膜片上的每一个辐条的挠度ω(x,t)满足动力学方程：
其中，E表示材料的杨氏模量，I表示辐条的转动惯量，μ表示辐条的线密度，2r表示中心振膜的直径，n＝2,3,4表示振膜的辐条数，ω(x,t)表示膜片上坐标x点的在t时刻的挠度，p(t)表示随时间变化的声波；
轮毂形振膜的动力学方程，其边界条件表示为：
其中，2a表示圆环的内径，x＝a和x＝0分别表示辐条的固定端和自由端；
解方程(1)获得辐条的响应频率；
方程(2)的特征方程A(ξ)，表达式如下：
其中，m表示辐条的等效质量，ξ0表示固有角频率，β表示衰减常数；ξ表示谐响应频率，P表示声波强度幅值；
当声波作用在膜片上时，法珀腔的腔长会随声波起伏而发生波动。根据法珀干涉理论，法珀声音传感器18的干涉谱表示为：
其中，λ表示工作波长，I0(λ)表示光源光谱，γ表示传感器的条纹对比度，l表示静态腔长，Δl表示腔长波动，IR(λ)表示反射谱强度。
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Legal Events
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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