CN111289085B - 麦克风振膜振幅测量方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种麦克风振膜振幅测量方法及其装置，该装置包括单模光纤、被测麦克风、声源、光源、光谱探测模块及控制与信号处理单元。该装置利用单模光纤与被测麦克风振膜的局部区域形成法布里‑珀罗(FP)干涉腔；使入射光通过单模光纤入射至FP干涉腔产生干涉光；控制声源发出声波以激励振膜振动，利用光谱探测模块连续探测在振膜振动时经FP干涉腔产生的干涉光，得到多个干涉光谱；对该多个干涉光谱进行处理，以求取振膜振动时FP干涉腔的多个腔长，根据多个腔长确定振膜局部区域的振幅大小。本发明装置结构简单、使用方便、测量精度高，不仅适用于测量各种麦克风的机械灵敏度，还可在麦克风制造过程中在线测量振膜振幅，可优化制造工艺，提高器件一致性。

Description

麦克风振膜振幅测量方法及其装置

技术领域

本发明涉及光学测量技术领域，尤其涉及一种麦克风振膜振幅测量方法及其装置。

背景技术

麦克风振膜振幅的准确测量对于麦克风的设计、制备、工艺优化、性能评价等至关重要，它要求所使用的仪器和方法具有动态微位移测量本领，而且在测试过中不能对振膜振动造成任何干扰，以保证测试结果的准确性。传统的麦克风振膜振幅测量方法一般为电学测量方法，这种方法要求被测麦克风振膜同时作为测量电极之一，因此它只适用于金属振膜的测量，而且电极之间存在的静电作用会对金属振膜的振动造成干扰，从而影响测量结果。与传统的动态微位移电学测量方法相比，光学测量动态微位移的技术容许非接触式测量，测量过程不会对振膜振动造成任何干扰，抗电磁干扰、灵敏度高、准确可靠，空间分辨率高，能够对振膜局部区域的振幅进行测量，而且，响应速度快，动态范围宽。

常用的光学微位移测量系统包括激光三角法、光纤光栅法、激光干涉法等。例如基于多普勒效应的激光微位移测量系统，可以精确的测量麦克风振膜振幅此类微位移，但是此类设备造价昂贵，结构复杂，操作繁琐，测量动态范围窄，使用成本较高。为了克服以上问题，研究开发结构简单，便于操作、测量成本低、适用于精确测量各种麦克风振膜振幅的光学测量方法是非常必要的。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供了一种麦克风振膜振幅测量方法及其装置，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

为达到上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种麦克风振膜振幅测量装置，包括：单模光纤、被测麦克风、声源、光源、光谱探测模块以及控制与信号处理单元，其中：单模光纤，包括位于两端的第一端面和第二端面，第一端面为与光纤轴垂直的平面；被测麦克风，具有一表面反光的振膜，所述振膜的局部区域正对于所述单模光纤的第一端面而构成法布里-珀罗干涉腔；声源，用于产生单频声波来激励所述被测麦克风的振膜振动；光源，用于提供入射光，所述入射光能够通过所述单模光纤入射至所述法布里-珀罗干涉腔，并经所述法布里-珀罗干涉腔产生干涉光；光谱探测模块，用于以预设的光谱采样率连续探测在所述被测麦克风的振膜振动时经所述法布里-珀罗干涉腔产生的干涉光，得到多个干涉光谱；控制与信号处理单元，用于控制所述声源产生的声波频率和声压，以及对所述光谱探测模块输出的多个干涉光谱进行处理，以求取振膜振动期间所述法布里-珀罗干涉腔的多个腔长，根据所述多个腔长随时间的变化来确定振膜局部区域的振幅大小。

作为本发明的另一方面，还提供了利用如上所述的麦克风振膜振幅测量装置测量麦克风振膜振幅的方法，包括以下步骤：步骤A：将单模光纤的第一端面正对于被测麦克风的振膜局部区域以构成法布里-珀罗干涉腔；步骤B：开启光源和光谱探测模块，使所述光源提供的入射光通过所述单模光纤入射至所述法布里-珀罗干涉腔产生干涉光；步骤C：控制声源发出频率为f₀的声波以激励所述被测麦克风的振膜振动，利用所述光谱探测模块以预设的光谱采样率连续探测在所述被测麦克风的振膜振动期间经所述法布里-珀罗干涉腔产生的干涉光，得到多个干涉光谱；步骤D：利用控制与信号处理单元对所述光谱探测模块输出的多个干涉光谱进行处理，以求取振膜振动期间所述法布里-珀罗干涉腔的多个腔长，并根据所述多个腔长随时间的变化来确定振膜局部区域的振幅大小。

从上述技术方案可以看出，本发明的麦克风振膜振幅测量方法及其装置相对于现有技术至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)本发明采用光纤法布里-珀罗干涉光谱测量方法，基于麦克风振膜局部区域的振动位移变化导致光纤法布里-珀罗干涉腔的腔长变化，通过测量光纤法布里-珀罗干涉腔的动态腔长，由此实现振膜局部区域的振幅测量，这种方法具有良好的三维空间分辨率；

(2)本发明的麦克风振膜振幅测量方法及其装置对麦克风振膜的结构和材料没有限制，它不仅能够测量常见的麦克风圆形金属振膜的振幅，也能测量圆形非金属如玻璃振膜的振幅，它还能测量如悬臂梁型、工字形等非圆形MEMS振膜的振幅，使用范围广；

(3)本发明采用单模光纤的垂直于光纤轴的第一端面与被测麦克风的振膜形成法布里-珀罗干涉腔，单模光纤传输的光以相同的路径传输，单模光纤本身不会引入光程差变化，由此产生的干涉光仅受腔长变化的调制，使得干涉光谱精确地反映出振膜的距离变化，具有高精度和灵敏度；

(4)本发明所需光学测量装置的各测量部件独立设置于被测麦克风外，结构简单，体积小，成本较低，易于实现，在麦克风制造工艺控制、性能测试等方面具有极高的推广应用价值。

附图说明

图1为本发明实施例1麦克风振膜振幅测量装置结构示意图；

图2为利用本发明实施例1的麦克风振膜振幅测量装置在被测麦克风的圆形玻璃振膜未受到声波激励的情况下获得的法布里-珀罗干涉光谱；

图3为本发明实施例1麦克风振膜振幅测量方法的流程图；

图4A为本发明实施例1在获得的法布里-珀罗干涉光谱中选取两个相邻波谷求取法布里-珀罗干涉腔腔长的示意图；

图4B为本发明实施例1在获得的法布里-珀罗干涉光谱中选取相邻波峰和波谷求取法布里-珀罗干涉腔腔长的示意图；

图5A为本发明实施例1被测麦克风的圆形玻璃振膜在频率为1000Hz、声压为4pa的声波激励下对应于振膜中心区域的法布里-珀罗干涉腔的腔长随时间变化的数据点及其拟合曲线；

图5B为本发明实施例1被测麦克风的圆形玻璃振膜在频率为1000Hz的声波激励下振膜中心区域的振幅随声压变化的数据点及其拟合曲线；

图6A为本发明实施例2被测麦克风的圆形金属振膜在频率为500Hz、声压为5pa的声波激励下对应于振膜中心区域的法布里-珀罗干涉腔的腔长随时间变化的数据点及其拟合曲线；

图6B为本发明实施例2被测麦克风的圆形金属振膜在频率为500Hz、的声波激励下振膜中心区域的振幅随声压变化的数据点及其拟合曲线；

图6C为本发明实施例2被测麦克风的圆形金属振膜在声压为1Pa的声波激励下振膜中心区域的振幅随声波频率变化的数据点及其拟合曲线；

图7A为本发明3被测麦克风的H形MEMS硅振膜在频率为322Hz、声压为270mpa的声波激励下对应于H型MEMS硅振膜最远端区域的法布里-珀罗干涉腔的腔长随时间变化的数据点及其拟合曲线(插图为H型MEMS硅振膜实物照片)；

图7B为本发明实施例3被测麦克风的H形MEMS硅振膜在频率为622Hz、声压为98mPa的声波激励下对应于H型MEMS硅振膜最远端区域的法布里-珀罗干涉腔的腔长随时间变化的数据点及其拟合曲线。

上述附图中，附图标记含义如下：

10-光源； 20-单模光纤； 30-光纤环形器；

40-声源； 50-待测麦克风； 60-标准声级计；

70-光谱探测模块； 80-控制与信号处理单元； 90-精密移动平台；

91-麦克风固定件； 92-单模光纤固定件； 93-单筒视频显微镜；

100-机箱。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明公开了一种麦克风振膜振幅的测量方法及其装置，通过光纤法布里-珀罗(FP)干涉光谱的原理测量平头光纤端面和麦克风振膜的距离变化，从而反映麦克风振膜局部区域的振幅变化，实现了对麦克风的振膜局部区域微位移进行测量。所需的整个测量系统结构简单，成本低廉并且利于操作，易于实现，普遍适用于各个实验室环境。

以下结合具体实施例对本发明的一种麦克风振膜振幅测量方法及其装置做进一步说明。需要说明的是，下文中的具体实施例仅用于示例，并不用于限制本发明。

实施例1

在本发明的第一个示例性实施例中，提供了一种麦克风振膜振幅测量装置。图1为本发明麦克风振膜振幅测量装置结构示意图。如图1所示，该麦克风振膜振幅测量装置包括：单模光纤20、被测麦克风50、声源40、光源10、光谱探测模块70以及控制与信号处理单元80，其中：单模光纤20包括位于两端的第一端面和第二端面，第一端面为与光纤轴垂直的平面；被测麦克风50具有一表面反光的振膜，振膜的局部区域正对于单模光纤的第一端面而构成法布里-珀罗干涉腔；声源40用于产生单频声波来激励被测麦克风的振膜振动；光源10用于提供入射光，该入射光能够通过单模光纤20入射至法布里-珀罗干涉腔，并经法布里-珀罗干涉腔产生干涉光；光谱探测模块70用于以预设的光谱采样率连续探测在被测麦克风50的振膜振动时经法布里-珀罗干涉腔产生的干涉光，得到多个干涉光谱；控制与信号处理单元80用于控制声源40产生的声波频率和声压，以及对光谱探测模块70输出的多个干涉光谱进行处理，以求取振膜振动时法布里-珀罗干涉腔的多个腔长，根据多个腔长随时间的变化来确定振膜局部区域的振幅大小。

本发明的该麦克风振膜振幅测量装置的设计原理为：由声信号激励麦克风振膜振动，使振膜产生动态微位移，利用光纤法布里-珀罗干涉技术将振膜局部区域的动态微位移转换为光纤法布里-珀罗干涉光相位差的变化(即光纤法布里-珀罗干涉腔的腔长变化)，再通过高时间分辨的干涉光谱测量，获取不同时刻的腔长，进一步通过建立时间-腔长依赖关系曲线，再基于振动方程对该曲线进行最佳拟合，就可准确求取振膜局部区域的振幅。

以下对本实施例麦克风振膜振幅测量装置的各组成部分进行详细描述。

在本实施例中，光源10可以是ASE光源或LED光源或卤钨灯，无特殊限制，根据本领域中对于光源10的常规认知，其光谱带宽一般不超过600纳米，本实施例中优选其光谱带宽不超过50纳米，且优选大于20纳米，若光谱带宽过小，则难以确保干涉光谱中能出现至少一波峰和至少一波谷；而光谱带宽过宽，就会使得光谱探测模块在记录光谱时用时较长，从而牺牲光谱探测的时间分辨率，不利于在较高声频激励下麦克风振膜振幅的精确测量。

本实施例中，光源10的工作波长为1527.2280nm～1567.9560nm，且光谱探测模块与光源工作波长匹配，在不同的实施例中光源、光谱探测模块及控制与信号处理单元可以集成为一体，但并不限于此。

在本实施例中，单模光纤20为石英光纤，其第一端面作为出射端面是与光纤轴垂直的平面，以便第一端面与被测麦克风50的振膜形成相互平行的两个反射面，从而构成法布里-珀罗干涉腔；此外不能采用多模光纤而仅能是单模光纤20来对入射光进行传输，因为单模光纤20只能允许单一导模传输，不会发生多模干涉现象，本身不会再引入光程差，由此产生的干涉光仅受腔长变化的调制，使得后续获得的干涉光谱能精确地反映出振膜的距离变化，而多模光纤内以多个模式传输入射光，则会导致不同模式之间的光发生干涉，此时获得的干涉光谱则难以精确反映振膜的距离变化，不利于被测麦克风振膜振幅的精确测量。

在本实施例中，单模光纤20的第一端面相对于振膜的局部区域的距离被配置为使干涉光谱出现至少一个波峰和至少一个波谷，此处“使干涉光谱出现至少一个波峰和至少一个波谷”的含义为在一干涉光谱中，随着波长变化光强能达到至少一波峰值和至少一波谷值，具体而言，在不同的实施例中，可以是仅包含一个波峰值和一个波谷值，或者是仅包含两个波峰值和一个波谷值，或者是仅包含一个波峰值和两个波谷值，或者是包含两个以上波峰和两个以上波谷值，此时的干涉光谱请参考如图2所示被测麦克风在未加声源时获得的光谱图，出现9个波峰值和8个波谷值。

在本实施例中，麦克风振膜振幅测量装置还包括光纤环形器30，包括第一端口1、第二端口2和第三端口3，其中：第一端口1为输入端，经光纤与光源10连接；第二端口2为输出端口，经光纤与光谱探测模块70连接；第三端口3，与单模光纤20的第二端面对接。在其他实施例中，光纤环形器30还可以替换为一分二光纤分路器等。

在本实施例中，被测麦克风50是驻极体麦克风、MEMS麦克风、光纤麦克风、光栅麦克风中的一种；在其他实施例中，被测麦克风50也可以是驻极体麦克风、MEMS麦克风、光纤麦克风或光栅麦克风中包含振膜的部件。应当可以理解，为了便于测量，被测麦克风50在测试前需将其振膜暴露于空气中。其中，被测麦克风50的振膜表面是具有反射性的，且为弹性振膜，当声信号作用于被测麦克风时，弹性振膜发生形变，进而使反射回光纤的光信号受到声波调制。具体的，振膜可以是由金属、玻璃、石墨烯、硅、聚合物、金属氧化物、氮化硅中的一种振膜材料形成的振膜，也可以是多种前述振膜材料形成的复合振膜。

振膜可采用本领域中常规的形状和尺寸，并无特别限制，在本实施例中，以圆形玻璃振膜为例，玻璃振膜厚度50微米，振膜周边固定，振膜内圆直径0.5英寸。由于单模光纤20(其芯径一般不超过10微米)远小于常规振膜的尺寸，因此单模光纤20所正对的振膜的“局部区域”相当于振膜上的一振动点，通过调整单模光纤20的第一端面相对于振膜的不同位置，可以测得振膜沿某一方向的振幅分布。

在本实施例中，是以振膜的中心区域为例，此时对于周边固定的振膜而言中心区域具有最大振幅，单模光纤20第一端面与其正对的振膜中心区域形成法布里-珀罗干涉腔，但并不局限于此。

在本实施例中，麦克风振膜振幅测量装置还包括一标准声级计60，用于测定声源40产生的声波达到被测麦克风振膜处的声压，在实际应用时可以结合声波声压以及得到的振膜振幅来对被测麦克风的振膜性能进行评价；在其他实施例中，该标准声级计60还可以替换为标准麦克风。

在本实施例中，光谱探测模块70的预设的光谱采样率优选为大于声源产生的声波频率的2倍，可以理解，探测得到的一个干涉光谱表示某一时刻的振膜局部区域的位移所对应的法布里-珀罗干涉腔对入射光的调制光谱，因此，随着光谱采样率的增加，有利于在声波激励的振膜振动周期内得到对应于不同振膜位移的多个干涉光谱，更有利于后续通过拟合来精确确定振膜局部区域的振幅。基于前述相同的原因，本实施例优选为在每次测试过程中由所述光谱探测模块获得不少于3个干涉光谱，以确保通过拟合可以精确确定振膜局部区域的振幅。

可以理解，光谱探测模块70的探测光谱范围应当包含光源10的输出光谱范围，其对光源光具有快速响应本领和快速光谱输出本领。光谱探测模块70的光探测部件包括CCD或CMOS阵列感光芯片，且市售可得，在此不对其结构做赘述。

本实施例中，控制与信号处理单元80可以借助于包括有若干不同元件的硬件以及借助于适当编程的计算机来实现。其各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的常规软件模块实现，或者以它们的组合实现。本领域的技术人员应当理解，对于具体的编程来说，可以采用现有的编程方式或代码，只是控制对象及参数的调节，本发明并不涉及程序上的改进。

本实施例中，麦克风振膜振幅测量装置还包括精密移动平台90，用于固定被测麦克风50和单模光纤20，并调节单模光纤相对于被测麦克风的位置，使得单模光纤20的第一端面与被测麦克风50的振膜的局部区域形成所述法布里-珀罗干涉腔。更具体地，精密移动平台90设置有麦克风固定件91和单模光纤固定件92，精密移动平台90能够使麦克风固定件91和/或单模光纤固定件92在手动或自动操作下进行平移或升降或转动，调节精度优选能达到微米级别，以保证单模光纤20的第一端面与被测麦克风50振膜的局部区域能够很容易地构成所述法布里-珀罗干涉腔。

在本实施例中，麦克风振膜振幅测量装置进一步还包括至少一单筒视频显微镜93，固定于精密移动平台90上，用于监视单模光纤20的第一端面与被测麦克风50的振膜局部区域之间的相对位置。相较于肉眼，单筒视频显微镜93能够更加精确地监视单模光纤的第一端面与被测麦克风的振膜的局部区域之间的相对位置；该单筒视频显微镜采用本领域中常规结构即可，且市售可得，在此不对其结构做赘述。

在本实施例中，麦克风振膜振幅测量装置还包括一机箱100，内部设置有单模光纤20、声源40、待测麦克风50、标准声级计60、精密移动平台90以及安装于精密移动平台90上的各部件(包括：麦克风固定件91、单模光纤固定件92、单筒视频显微镜93等)。机箱100用于在测量过程中隔离装置支撑体的震动，隔绝装置周围的环境噪声，消除喇叭发出的单频声波的回声，为提高测量精度创造条件。在本实施例中，光源10，光纤环形器30，光谱探测模块70，控制与信号处理单元80设置于机箱100外面。需要指出的是，这些部件中的部分或全部可以根据需要设置于机箱100内部。此外，机箱100的设计和制备需满足消除回音、隔离震动、隔绝噪声的要求。

采用本发明的实施例实现的效果为：实现了麦克风振膜局部区域振幅的测量，对麦克风的机械灵敏度和频率响应特性进行了表征和测定。至此，本发明第一实施例麦克风振膜振幅测量装置介绍完毕。

本发明的第一个示例性实施例中，还提供了一种麦克风的振膜振幅测量方法；图2为利用本发明实施例1的麦克风振膜振幅测量装置在被测麦克风的圆形玻璃振膜未受到声波激励的情况下获得的法布里-珀罗干涉光谱。图3为本发明实施例1麦克风振膜振幅测量方法的流程图；图4A为本发明实施例1在获得的法布里-珀罗干涉光谱中选取两个相邻波谷求取法布里-珀罗干涉腔腔长的示意图；图4B为本发明实施例1在获得的法布里-珀罗干涉光谱中选取相邻波峰和波谷求取法布里-珀罗干涉腔腔长的示意图；

本实施例麦克风振膜振幅测量方法是基于实施例1中的麦克风振膜振幅测量装置，可以理解，首先应当完成实施例1中上述测量装置的搭建，包括给光源、光谱探测模块、单筒视频显微镜供电，将被测麦克风固定在精密移动平台上等操作。在此基础上，如图3所示，该测量方法具体包括如下步骤：

步骤A：将单模光纤的第一端面正对于被测麦克风的振膜局部区域以构成法布里-珀罗干涉腔。

本实施例的被测麦克风具有圆形玻璃振膜，玻璃振膜厚度50微米，振膜周边固定，振膜内圆直径0.5英寸。此时，圆形玻璃振膜的中心区域具有最大振幅，作为示例，在本实施例中，将单模光纤的第一端面正对于被测麦克风的振膜中心区域以构成法布里-珀罗干涉腔。可以理解，通过调整单模光纤20的第一端面相对于振膜的其他多个位置，可以测得振膜振幅的一维分布或(和)二维分布。

步骤B：开启光源和光谱探测模块，使光源提供的入射光通过单模光纤入射至法布里-珀罗干涉腔产生干涉光。

可选的，在本步骤B后还包括步骤B’：使单模光纤的第一端面沿垂直于第一端面的方向逐渐接近被测麦克风的振膜局部区域，直至光谱探测模块获得的干涉光谱能出现至少1个波峰和至少1个波谷后停止接近。本步骤中通过滑动单模光纤，来逐渐接近该振膜局部区域，利用光谱探测模块实时测量干涉光谱，当观测到干涉光谱出现9个峰值，停止移动单模光纤第一端面。

优选的，利用单筒视频显微镜监视单模光纤的第一端面相对于振膜局部区域的位置，以便能够对相对位置进行精确调整。

步骤C：控制声源发出频率为f₀的声波以激励被测麦克风的振膜振动，利用光谱探测模块以预设的光谱采样率连续探测在被测麦克风的振膜振动时经法布里-珀罗干涉腔产生的干涉光，得到多个干涉光谱；

本步骤中，f₀例如可以1kHz为例，但并不局限于此；相应地，光谱探测模块以大于2kHz的光谱采样率连续记录不少于3个干涉光谱，每个干涉光谱对应一个具体时刻。

步骤D：利用控制与信号处理单元对光谱探测模块输出的多个干涉光谱进行处理，以求取振膜振动时法布里-珀罗干涉腔的多个腔长，并根据多个腔长随时间的变化来确定振膜局部区域的振幅大小。

本步骤是基于法布里-珀罗干涉腔的干涉原理，基于干涉光谱的波峰或波谷的波长而求取干涉腔腔长，进而根据腔长拟合计算振膜局部区域的振幅；但是由于波峰和波谷所对应的波长所满足的公式不同(如下式所示)，使得求取具体腔长的计算可采用以下两种方式，二者之间略有差异：

波谷对应的波长满足公式

波峰对应的波长满足公式:

具体而言，如图4A所示，以选取两个相邻的波谷为例，步骤D具体包括：

子步骤D1：利用平滑去噪和插值拟合算法分别对测得的各个干涉光谱进行处理，并且各个干涉光谱分别在时刻t₁～t_n获得，其中n为干涉光谱的数量；

子步骤D2：分别确定经处理后的各个干涉光谱中两个相邻波谷的波长λ₁、λ₂，公式

其是基于由上述波谷对应的波长所满足的公式推导而来，其中L为法布里-珀罗干涉腔的腔长，可计算得到各个干涉光谱对应的腔长L₁～L_n；可以理解，若选择两个相邻波峰，基于上述波峰对应的波长所满足的公式能够同样推导得到公式

子步骤D3：由各个干涉光谱对应的腔长和时刻组成一数组(t₁、L₁)、(t₂、L₂)…(t_n、L_n)，代入振动方程

计算被测麦克风振膜局部区域的振幅ΔL，其中L₀是振膜处于静止状态时的腔长，f₀是声波频率，t是时刻，

是振膜振动与声波之间的相位差。

再如图4B所示，以选取一对相邻的波谷和波峰为例，步骤D具体包括：

子步骤D1’：利用平滑去噪和插值拟合算法分别对测得的各个干涉光谱进行处理，并且各个干涉光谱分别在时刻t₁～t_n获得，其中n为干涉光谱的数量；

子步骤D2’：分别确定经处理后的各个干涉光谱中一对相邻的波峰和波谷的波长λ₁、λ₂，基于公式

其是基于由上述波峰和波谷分别对应的波长所满足的公式推导而来，其中L为法布里-珀罗干涉腔的腔长，计算得到各个干涉光谱对应的腔长L₁～L_n；

子步骤D3’：由各个干涉光谱对应的腔长和时刻组成一数组(t₁、L₁)、(t₂、L₂)…(t_n、L_n)，代入振动方程

计算被测麦克风振膜局部区域的振幅ΔL，其中L₀是振膜处于静止状态时的腔长，f₀是声波频率，t是时刻，

是振膜振动与声波之间的相位差。

子步骤D3或D3’中，代入振动方程来计算被测麦克风振膜局部区域的振幅ΔL是通过数据拟合完成，拟合结果如图5A所示。图5A为本发明实施例1被测麦克风的圆形玻璃振膜在频率为1000Hz、声压为4pa的声波激励下对应于振膜中心区域的法布里-珀罗干涉腔的腔长随时间变化的数据点及其拟合曲线。从图中可以看出腔长随时间变化呈周期性振动，振动频率为1000Hz，与激励声波同频。相邻波峰和波谷对应的腔长之差的一半就是该被测麦克风的圆形玻璃振膜中心区域的振幅，该振幅为400纳米。图5B为本发明实施例1被测麦克风的圆形玻璃振膜在频率为1000Hz的声波激励下振膜中心区域的振幅随声压变化的数据点及其拟合曲线。从图中可以看出，振膜中心区域的振幅与声压呈线性关系。该测试结果指出本发明麦克风振膜振幅测量方法及其装置适用于麦克风机械灵敏度测量。

至此，本发明第一个实施例麦克风振膜振幅测量方法介绍完毕。

实施例2

为了进一步说明本发明麦克风振膜振幅测量装置的有效应用，本实施例选取一个包含直径0.5英寸、厚度3微米的圆形金属振膜的麦克风作为被测麦克风，利用实施例1的测量装置及测量方法对该被测麦克风的振膜中心区域的振幅进行了测量。测量过程中设定声波频率为500Hz，测量步骤同实施例1的步骤A～D。

图6A显示了本发明实施例2被测麦克风的圆形金属振膜在频率为500Hz、声压为5pa的声波激励下对应于振膜中心区域的法布里-珀罗干涉腔的腔长随时间变化的数据点及其拟合曲线。从图中可以看出腔长随时间变化呈周期性振动，振动频率为500Hz，与激励声波同频。相邻波峰和波谷对应的腔长之差的一半就是该被测麦克风的圆形金属振膜中心区域的振幅，该振幅为62.5纳米。图6B为本发明实施例2被测麦克风的圆形金属振膜在频率为500Hz的声波激励下振膜中心区域的振幅随声压变化的数据点及其拟合曲线。从图中可以看出，振膜中心区域的振幅与声压呈线性关系，也表明了通过本发明的测量方法可以获取麦克风振膜振幅与声压之间的变化关系，也就是说本发明的测量方法可以获取麦克风的机械灵敏度。图6C给出了本发明实施例2被测麦克风的圆形金属振膜在声压为1Pa的声波激励下振膜中心区域的振幅随声波频率变化的数据点及其拟合曲线。从图中可以看出在给定声压下，当声波频率在100Hz-1000Hz范围内变化时，该圆形金属振膜中心区域的振幅几乎恒定。该结果表明本发明的测量方法及其装置可以用于获取麦克风的频率响应曲线。

在本实施例中，需要说明的是，被测麦克风的圆形金属振膜在与振膜支座固定之前是柔性的，不具备弹性振动本领。为了使圆形金属振膜在与振膜支座固定之后具有弹性振动本领，需要对金属振膜施加预应力，振膜振幅的大小取决于施加给振膜的预应力大小。在给振膜施加预应力的过程中通过声波激励使其振动，再利用本发明麦克风振膜振幅测量装置在线测量振膜中心区域的振幅变化，当振幅达到预设值时，停止继续施加预应力，然后将振膜与支座牢固焊接，由此保证所制备的麦克风具有良好的一致性。如上所述，本发明麦克风振膜振幅测量方法及其装置可以用于麦克风制备工艺的控制和优化。

至此，本发明第二个实施例麦克风振膜振幅测量方法介绍完毕。

实施例3

本发明麦克风振膜振幅测量装置不仅适用于测量圆形振膜局部区域的振幅，而且能够测量非圆形结构的振膜的振幅。最常见的非圆形结构的振膜包括MEMS悬臂梁振膜和H型(也称工字型)MEMS振膜。为了验证本发明麦克风振膜振幅测量装置对非圆形振膜局部区域的振幅的测量效果，本实施例利用MEMS工艺在SOI基底上制备了H形硅振膜(见图7A中的插图)。这种H型MEMS硅振膜具有两个边长为3mm的正方形翅膀，两翅膀相邻边缘由长度为1mm硅桥连接，硅桥的中间上下两边各有一个锚点，整个H型MEMS硅振膜就是通过这两个锚点与SOI基底共面连接。这种H型MEMS硅振膜有两个振动模态，一个是谐振频率为322Hz的摇摆模态，另一个是谐振频率为622Hz的弯曲模态。在本实施例中，利用本发明麦克风振膜振幅测量装置分别测量了这两个谐振频率下H型MEMS硅振膜最远端的振幅。测试开始前，首先将H型MEMS硅振膜固定在特制的支座上，然后利用精密移动平台上麦克风固定件将带有H型MEMS硅振膜的支座固定，调节单模光纤位置，使单模光纤第一端面对准H型MEMS硅振膜的最远端，从而形成法布里-珀罗干涉腔，然后按照与实施例1相同的步骤进行测量，通过处理实验数据获得在给定声压和声频下H型MEMS硅振膜最远端的振幅。

图7A显示了本发明实施例3被测麦克风的H形MEMS硅振膜在频率为322Hz、声压为270mpa的声波激励下对应于H型MEMS硅振膜最远端区域的法布里-珀罗干涉腔的腔长随时间变化的数据点及其拟合曲线，从图中可以看出腔长随时间变化呈周期性振动，振动频率为与激励声波的频率相同。相邻波峰和波谷对应的腔长之差为282.4nm，因此，该H型MEMS硅振膜最远端区域的振幅为141.2nm。图7B显示了为本发明实施例3被测麦克风的H形MEMS硅振膜在频率为622Hz、声压为98mPa的声波激励下H型MEMS硅振膜最远端区域的振幅随时间变化的数据点及其拟合曲线。从图中可以看出该H型振膜最远端区域的振幅为277nm。比较在这两个不同频率声波激励下测得的振幅，可以得知该H型MEMS硅振膜工作于弯曲模态时在最远端产生的振幅远大于其在摇摆模态时产生的振幅。

至此，本发明第三个实施例麦克风振膜振幅测量方法介绍完毕。

上文已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述，但需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，因此并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

综上所述，本发明提供了一种麦克风振膜振幅测量方法及其装置，通过将声信号调制在光信号中，再由快速解调装置解调出光谱信号，通过寻峰算法以及拟合求得麦克风的振膜振幅。该方法可实现麦克风的振膜振幅测量，基于常规微位移的测试系统，体积小、成本低、易于实现，不仅适用于测量现有的各种麦克风的机械灵敏度，还可用于在麦克风制造过程中在线测量振膜振幅，为优化制造工艺，提高器件一致性，实现麦克风的可重复制备创造有利条件。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种麦克风振膜振幅测量装置，其特征在于，包括：单模光纤、被测麦克风、声源、光源、光谱探测模块以及控制与信号处理单元，其中：

单模光纤，包括位于两端的第一端面和第二端面，第一端面为与光纤轴垂直的平面；

被测麦克风，具有一表面反光的振膜，所述振膜的局部区域正对于所述单模光纤的第一端面而构成法布里-珀罗干涉腔；

声源，用于产生单频声波来激励所述被测麦克风的振膜振动；

光源，用于提供入射光，所述入射光能够通过所述单模光纤入射至所述法布里-珀罗干涉腔，并经所述法布里-珀罗干涉腔产生干涉光；

光谱探测模块，用于以预设的光谱采样率连续探测在所述被测麦克风的振膜振动时经所述法布里-珀罗干涉腔产生的干涉光，得到多个干涉光谱；

控制与信号处理单元，用于控制所述声源产生的声波频率和声压，以及对所述光谱探测模块输出的多个干涉光谱进行处理，以求取振膜振动期间所述法布里-珀罗干涉腔的多个腔长，根据所述多个腔长随时间的变化来确定振膜局部区域的振幅大小；

其中，根据所述多个腔长随时间的变化来确定振膜局部区域的振幅大小，具体包括：

由各个干涉光谱对应的腔长和时刻组成一数组(t₁、L₁)、(t₂、L₂)…(t_n、L_n)，代入振动方程

计算被测麦克风振膜局部区域的振幅ΔL，其中n为干涉光谱的数量，L₀是振膜处于静止状态时的腔长，f₀是声波频率，t是时刻，

是振膜振动与声波之间的相位差。

2.根据权利要求1所述的麦克风振膜振幅测量装置，其特征在于，所述单模光纤的第一端面与所述振膜的正对单模光纤第一端面的局部区域之间的距离被调节为使所述干涉光谱出现至少1个波峰和至少1个波谷；和/或

所述光谱探测模块的预设的光谱采样率大于所述声源产生的声波频率的2倍；和/或

在每次测试过程中由所述光谱探测模块获得不少于3个干涉光谱。

3.根据权利要求1所述的麦克风振膜振幅测量装置，其特征在于，所述麦克风振膜振幅测量装置还包括一精密移动平台，用于调节所述单模光纤相对于所述被测麦克风的位置，使得所述单模光纤的第一端面与所述被测麦克风的振膜的局部区域形成所述法布里-珀罗干涉腔。

4.根据权利要求3所述的麦克风振膜振幅测量装置，其特征在于，所述精密移动平台设置有麦克风固定件和单模光纤固定件，所述精密移动平台能够使麦克风固定件和/或单模光纤固定件平移或升降或转动。

5.根据权利要求1所述的麦克风振膜振幅测量装置，其特征在于，所述麦克风振膜振幅测量装置还包括光纤环形器或一分二光纤分路器，该光纤环形器或一分二光纤分路器包括第一端口、第二端口和第三端口，其中：

第一端口为输入端，经光纤与所述光源连接；

第二端口为输出端口，经光纤与所述光谱探测模块连接；

第三端口，与所述单模光纤的第二端面对接。

6.根据权利要求1所述的麦克风振膜振幅测量装置，其特征在于：

所述麦克风振膜振幅测量装置还包括一标准声级计或一标准麦克风，用于测定所述声源产生的声波到达被测麦克风振膜处的声压；和/或

所述麦克风振膜振幅测量装置还包括至少一单筒视频显微镜，用于监视所述单模光纤的第一端面与所述被测麦克风的振膜的局部区域之间的相对位置；和/或

所述麦克风振膜振幅测量装置还包括一机箱，用于在测试过程中消除回音、隔绝噪音、隔离震动；和/或

所述光源为ASE光源或LED光源或卤钨灯，所述光源的发射光谱带宽大于20纳米；和/或

所述光谱探测模块的光谱探测范围覆盖所述光源的发射光谱；和/或

所述被测麦克风是驻极体麦克风、MEMS麦克风、光纤麦克风、光栅麦克风中的一种，或者是驻极体麦克风、MEMS麦克风、光纤麦克风、光栅麦克风中包含振膜的部件；和/或

所述振膜是由金属、玻璃、石墨烯、硅、聚合物、金属氧化物、氮化硅中的一种振膜材料形成的振膜，或是多种所述振膜材料形成的复合振膜。

7.一种利用如权利要求1至6中任一项所述的麦克风振膜振幅测量装置测量麦克风振膜振幅的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A：将单模光纤的第一端面正对于被测麦克风的振膜局部区域以构成法布里-珀罗干涉腔；

步骤B：开启光源和光谱探测模块，使所述光源提供的入射光通过所述单模光纤入射至所述法布里-珀罗干涉腔产生干涉光；

步骤C：控制声源发出频率为f₀的声波以激励所述被测麦克风的振膜振动，利用所述光谱探测模块以预设的光谱采样率连续探测在所述被测麦克风的振膜振动期间经所述法布里-珀罗干涉腔产生的干涉光，得到多个干涉光谱；

步骤D：利用控制与信号处理单元对所述光谱探测模块输出的多个干涉光谱进行处理，以求取振膜振动期间所述法布里-珀罗干涉腔的多个腔长，并根据所述多个腔长随时间的变化来确定振膜局部区域的振幅大小；

其中，根据所述多个腔长随时间的变化来确定振膜局部区域的振幅大小，具体包括：

由各个干涉光谱对应的腔长和时刻组成一数组(t₁、L₁)、(t₂、L₂)…(t_n、L_n)，代入振动方程

计算被测麦克风振膜局部区域的振幅ΔL，其中n为干涉光谱的数量，L₀是振膜处于静止状态时的腔长，f₀是声波频率，t是时刻，

是振膜振动与声波之间的相位差。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤D中具体包括以下子步骤：

子步骤D1：利用平滑去噪和插值拟合算法分别对测得的各个干涉光谱进行处理，并且各个干涉光谱分别在时刻t₁～t_n获得，其中n为干涉光谱的数量；

子步骤D2：分别确定经处理后的各个干涉光谱中两个相邻波峰或两个相邻波谷的波长λ₁、λ₂，基于公式

其中L为法布里-珀罗干涉腔的腔长，计算得到各个干涉光谱对应的腔长L₁～L_n；

子步骤D3：由各个干涉光谱对应的腔长和时刻组成一数组(t₁、L₁)、(t₂、L₂)…(t_n、L_n)，代入振动方程

计算被测麦克风振膜局部区域的振幅ΔL，其中L₀是振膜处于静止状态时的腔长，f₀是声波频率，t是时刻，

是振膜振动与声波之间的相位差；或者

步骤D中具体包括以下子步骤：

子步骤D1’：利用平滑去噪和插值拟合算法分别对测得的各个干涉光谱进行处理，并且各个干涉光谱分别在时刻t₁～t_n获得，其中n为干涉光谱的数量；

子步骤D2’：分别确定经处理后的各个干涉光谱中一对相邻的波峰和波谷的波长λ₁、λ₂，基于公式

其中L为法布里-珀罗干涉腔的腔长，计算得到各个干涉光谱对应的腔长L₁～L_n；

子步骤D3’：由各个干涉光谱对应的腔长和时刻组成一数组(t₁、L₁)、(t₂、L₂)…(t_n、L_n)，代入振动方程

计算被测麦克风振膜局部区域的振幅ΔL，其中L₀是振膜处于静止状态时的腔长，f₀是声波频率，t是时刻，

是振膜振动与声波之间的相位差。

9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤B之后及步骤C之前，还包括以下步骤：

步骤B’：使单模光纤的第一端面沿垂直于第一端面的方向逐渐接近所述振膜的局部区域，直至光谱探测模块获得的干涉光谱能出现至少1个波峰和至少一个波谷后停止接近。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，步骤B’中，利用单筒视频显微镜监视所述单模光纤的第一端面相对于所述振膜局部区域的位置。

11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在测试所述被测麦克风前将其振膜暴露于空气中。

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