CN116499574A - 一种基于相干合成技术的双光纤传声器系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于相干合成技术的双光纤传声器系统，属于光纤传感领域，包括：光源，用于发射固定波长的单色光；与光源连接的导光单元，用于将所述单色光进行分光，得到多束光信号；与所述导光单元连接的拾音模块，采用熔点高的无源元件，所述拾音模块包括：双光纤和反射膜，所述拾音模块用于采集声音信息，基于双光纤和反射膜，得到含有声音信息的多束相干光信号；所述导光单元，还用于通过相干合成技术，将多束相干光信号干涉合成单束光信号；与导光单元连接的光电探测模块，用于将单束光信号转换为电信号，通过代码将电信号还原为声音信号。本发明能够用于极端环境下声压、振动等参数的监测，还能提高传声器灵敏度、信噪比和稳定性。
Description
技术领域
本发明属于光纤传感技术领域，尤其涉及一种基于相干合成技术的双光纤传声器系统。
背景技术
声波探测在工业制造、航空航天、交通噪声监测和管道泄露监测等领域具有广泛地应用。传声器就是将声波信号转换为电信号的装置。目前广泛应用的是电容传声器，它是利用极薄的金属薄膜作为电容的一极，与另一固定电极组成了电容器。原理是声波引起金属薄膜的振动从而导致电容两极距离产生变化，保持电容两极间电位不变，则声波振动会导致电容存储电量产生变化，依靠电容量的变化而起换能作用的传声器。由于其工作原理可知，电传声器含有有源器件，非常容易受电磁干扰且不防潮，因此不适合在有强电磁干扰以及潮湿的环境下工作。
光纤传声器以其抗电磁干扰、耐腐蚀、体积小、灵敏度高和可远距离传输信号等优点，引起了人们的广泛关注，但是现有的光纤传声器无法提高在复杂环境下对声波探测的精度、信噪比和声压灵敏度，最终无法精确测量声波参数。
发明内容
本发明提出了一种基于相干合成技术的双光纤传声器系统，利用新颖的双光纤结构对声压信号进行采集，以解决上述现有技术中存在无法精确测量声波参数的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于相干合成技术的双光纤传声器系统，包括：
光源，用于发射固定波长的单色光；
与所述光源连接的导光单元，用于将所述单色光进行分光，得到多束光信号；
与所述导光单元连接的拾音模块，采用熔点高的无源元件，所述拾音模块包括：双光纤和反射膜，所述拾音模块用于采集声音信息，基于双光纤和反射膜，得到含有声音信息的多束相干光信号；
所述导光单元，还用于通过相干合成技术，将所述多束相干光信号干涉合成单束光信号；
与所述导光单元连接的光电探测模块，用于将所述单束光信号转换为电信号，通过代码将所述电信号还原为声音信号。
优选地，所述双光纤的长度相等，且平行放置在同一水平面，所述双光纤的端面和所述反射膜的距离相等，并构成两个相同的F-P干涉腔。
优选地，所述反射膜可拆换，采用热膨胀系数小的薄膜材料。
优选地，所述导光单元包含若干个端口，所述端口用于将单束光分成多束光，还用于将多束光合成单束光。
优选地，所述拾音模块还包括：双芯光纤石英套管和石英套管外壳；
所述双芯光纤石英套管，用于固定双光纤；
所述石英套管外壳，用于固定反射膜和所述双芯光纤石英套管。
优选地，还包括：数据采集模块和数据处理模块；
所述数据采集模块，用于采集电信号；
所述数据处理模块，用于对所述电信号进行滤波处理，并通过代码还原声音信号。
优选地，所述电信号的电压值，用于反映所述反射膜的振动频率和振动幅值。
与现有技术相比，本发明具有如下优点和技术效果：
本发明提供了一种基于相干合成技术的双光纤传声器系统，通过双光束探测声波技术，利用相干光干涉合成原理可消除相位变化引起的信号失真等问题，使信号更稳定、纯净，可提高传声器灵敏度、信噪比和稳定性，并具有低成本、实时性好和适用性好等优点。
本发明所述传声器系统可以开发为集成器件，使声波测量设备小型化，便于实际现场应用。并且易复用组成阵列，实现声源的多点采集与定位。
本发明所述传声器系统容错能力强，若两根光纤中某一根光纤发生问题，另一个根光纤仍能保持正常的声压采集，从而增强了传声器系统的可靠性。
所述传声器系统的拾音模块采用无源元件，且熔点高，适用于强电磁干扰、高温、高压和强腐蚀等极端环境下对声压、振动等参数的测量。
所述传声器系统的反射膜可在不同的测试场景根据需求进行更换，比如频率响应范围，声压灵敏度等参数有不同需求时，可以方便快捷的更换反射膜，易组装。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例的双光纤传声器系统示意图；
图2为本发明实施例的拾音模块结构图；
图3为本发明实施例的双F-P干涉腔结构图；
图4为本发明实施例的整体实验流程图；
图5为本发明实施例的反射膜在不同频率振动情况下，检测到的低频率正弦波声压信号波形图和频谱图；
图6为本发明实施例的反射膜在不同频率振动情况下，检测到的高频率正弦波声压信号波形图和频谱图；
图7为本发明实施例的电压信号和声压幅值之间的关系图；
其中，1-激光器，2-导光单元，3-第一单模光纤，4-第二单模光纤，5-拾音模块，6-光电探测模块，7-数据采集模块，8-数据处理模块，9-反射膜，10-双芯光纤石英套管，11-石英套管外壳。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
实施例一
如图1所示，本实施例中提供一种基于相干合成技术的双光纤传声器系统，采用双光束测声波结构的光纤传声器，包括：
能够发出固定波长的激光器1；作为光传输介质以及实现分光功能的导光单元2；感应声音振动的拾音模块5由两根单模光纤3、4和反射膜9组成；将光信号转换为电信号的光电探测模块6；实现信号采集功能的数据采集模块7；对采集到的信号进行处理的数据处理模块8；
激光器1发射的单色光从导光单元2的端口Ⅰ进入导光单元2中将一束光分成两束相同的光，从导光单元2的端口Ⅱ、Ⅲ同时发射出双光束，通过两根光纤3、4进入传声器拾音模5内分别与反射膜9构成了两个相同的F-P腔进行声音振动感应，F-P干涉光从导光单元2的端口Ⅱ、Ⅲ进入，再从导光单元2的端口Ⅳ射出进入光电探测模块6中进行光信号转换为电信号。然后由数据采集模块7采集，并传输到数据处理模块8通过软件实时显示时域信号、频域信号，通过代码实现声音的还原。
本实施例中，导光单元2为2×2型光纤耦合器，分光比为50:50；
光电探测模块6为InGaAs光电二极管；
激光器1采用DFB激光器，DFB激光器发出的光的波长为1550nm，功率设置1-5mw；
单模光纤3、4的光纤直径为125μm。
如图2所示，传声器拾音模块5包括：用于接收声波信号的反射膜9、用于传输光的光纤3、4、固定光纤的双芯光纤石英套管10以及固定反射膜9和双芯光纤套管10的石英套管外壳11，所述反射膜9安装在石英套管外壳11的前端，双芯光纤石英套管10安装在石英套管外壳11的容纳腔内，双芯光纤石英套管10中的两根光纤3、4平行，且光纤端面在同一水平面上，光纤端面与反射膜9构成两个完全相同的F-P腔。
固定需保证：两根光纤3、4插入双芯光纤石英套管10，保证两根光纤3、4保持平行且端面在同一水平面上，固定好光纤后，将双芯光纤石英套管10插入石英套管外壳11的容纳腔内，把反射膜9固定在石英套管外壳11的端面，然后调节光纤3、4与反射膜9内表面的距离，保证两根光纤3、4对称垂直于反射膜9内表面的中心位置，将石英套管外壳11与双芯光纤石英套管10固定。同时保持各个元器件之间的距离均合适。
本实施例中，拾音模块5采用无源元件，且熔点高，适用于强电磁干扰、高温、高压和强腐蚀等极端环境下对声压、振动等参数的测量。
如图3所示，双F-P腔结构图包括：两根单模光纤3、4和用于接收声波信号的反射膜9。
本实施例中，反射膜9为铝膜、镍膜、钛膜或不锈钢膜等高反射率薄膜；反射膜9厚度为0.1-10μm，径向尺寸为0.1-20mm。
本实施例提供了一种基于相干合成技术的双光纤传声器系统，使用光纤作为传输光的介质，膜片作为探测声波信号的换能器，光纤端面与膜片之间的传感区域距离为数微米-数十微米，结构紧凑小巧，灵敏度高且可调控。本实施例的目的在于使用新颖的双光束测量声波的结构，来提高传声器的测量精度与信号稳定性。
非本征型F-P干涉式光纤传声器的基本原理是：光纤3、4垂直于反射膜9的中心，光纤端面与反射膜内表面保持一定距离，构成一个F-P干涉腔，当有外界声压的作用，反射膜9振动产生弹性形变，导致光纤端面与膜片中心的距离发生变化，通过检测这种变化就可以还原出声压信号。携带声音信息的光信号经过光电转换后变成电信号，通过对电信号的采集并进行信号处理，实现了光纤传声器对声音的拾取与还原。反射膜9的声压灵敏度和频率响应范围主要由材料、直径、厚度决定的，通过改变这三个参量，更换不同的反射膜，可以实现不同声压灵敏度和频率宽度的声波测量，适合强电磁干扰、潮湿等恶劣环境中声波的测量。
对压力敏感的反射膜9是光纤传声器的重要组成部分之一，传声器通过反射膜9感知外界声压的变化。例如非专利文献(“Flat and corrugated diaphragm designhandbook”,Mechanical Engineering New York Based Marcel Dekker,1982.)中所描述的，对于非本征型F-P干涉式光纤传感器来说，光纤3、4与反射膜9内表面的中心位置构成F-P腔，因此只需要考虑振膜中心位置的形变，圆膜片中心位置的形变方程为：
其中，y是反射膜中心位置形变量，p是声压，E是杨氏模量，h是反射膜的厚度，a是反射膜的半径，v是泊松比。
由上式可知，圆形反射膜的灵敏度大小主要取决于反射膜的厚度、半径和材料。对于选定材料的反射膜，想要提高其灵敏度，可以适当增大反射膜的半径或降低反射膜的厚度。而反射膜材料的选择直接影响了传声器的性能以及适用环境，对传声器的设计制作非常重要。传感器的灵敏度、重复性等参数很大程度上与传感器反射膜的材料特性相关，如杨氏模量、泊松比以及热膨胀系数等。温度对光纤传声器灵敏度的影响不容忽视，为了减小传声器对温度的灵敏度，选择热膨胀系数足够小的材料作为反射膜尤为重要。
光纤端面与反射膜构成一个简单的F-P腔。近似成一个双光束干涉。以第一根光纤为例，激光从光纤发射，同时大约4％的光束从光纤端面返射回来，其余光束则传输到反射膜表面，反射膜反射的携带声音信号的反射光重新注入光纤中，这两束光在光纤端面处发生干涉。
两束光的电矢量E1、Er及干涉后的输出光强Iout可表示为：
其中A1和Ar分别为反射膜反射光和光纤端面反射光的振幅，为反射膜反射光振幅的平方，/>为光纤端面反射光振幅的平方，ω为光频率，/>和/>分别为反射膜反射光和光纤端面反射光的相位。相干项的相位与F-P腔长度变化的对应关系可表示为：
其中λ为激光的波长，ΔL为F-P腔长度变化量。
两根光纤与反射膜的初始距离相等，记为L。当在声压作用下，反射膜振动时，反射膜中心处的位移为ΔL时，两个F-P腔长L1、L2可表示为：
L1＝L+ΔL、L2＝L+ΔL (6)
根据光纤干涉仪的工作原理，I1、I2、Ir1、Ir24束光被光电探测模块接收并发生干涉，其中I1、I2分别是两根光纤发射出的光且被反射膜反射的光的光强。根据多光束干涉原理可知，干涉场强度主要取决于最强光束的光强，由于光纤端面反射光仅约4％，所以光电探测模块接收到的干涉信号主要为I1、I2之间发生的干涉。两束光的电矢量分别为：
E1和E2分别是两束光的强度，ω为频率，A1和A2为振幅，为振幅A1的平方，/>为振幅A2的平方，/>和/>为振动的初始相位。两个振动是彼此独立的，叠加调制后的结果如下：
合振动的振幅A和初始相位由下式决定：
相位差为两个光的相位差：
保证两根光纤端面与反射膜的距离相等，且光纤的长度一致，可消除相位差。使得光强提高为原来的二倍，双光束探测声波技术的应用提高了该传声器的声压灵敏度、信噪比和稳定性。
本实施例提供了一种基于相干合成技术的双光纤传声器系统，该系统可以应用于声学检测，基于相干合成技术的双光纤传声器系统流程图，如图4所示。
S100：基于激光器1发射的第一光信号，在经过导光单元2分光得到第二光信号和第三光信号，经过反射膜9的反射，得到第四光信号和第五光信号，第四光信号和第五光信号干涉合成为第六光信号。
S200：对第六光信号进行光电转换，得到第一电信号，数据采集模块7采集第一电信号并将其转换成数字信号传输到数据处理模块8，可以实时显示声音的时域信号以及频域信号。
S300：第一电信号通过电压来反映反射膜9的振动频率以及幅值，基于F-P干涉原理和强度解调原理，通过代码实现声音信号的还原。
本实施例中，在较低频率振动情况下，检测到的正弦波振动信号波形图和频谱图，如图5所示，图5(a)-(d)分别为20Hz、30Hz、40Hz、50Hz正弦波振动信号的时域图，图5(e)-(h)分别为20Hz、30Hz、40Hz、50Hz正弦波振动信号的频域图。由图5可知，本发明探测到的时域信号和施加在反射膜上的振动波形一致，且探测到的频域信号也和施加在反射膜上的振动频率一致。
本实施例中，在不同频率振动情况下，检测到的正弦波振动信号波形图和频谱图，如图6所示，图6(a)-(d)分别为14kHz、16kHz、18kHz、20kHz正弦波振动信号的时域图，图6(e)-(h)分别为14kHz、16kHz、18kHz、20kHz正弦波振动信号的频域图。由图6可知，本发明探测到的时域信号和施加在反射膜上的振动波形一致，且探测到的频域信号也和施加在反射膜上的振动频率一致。
本实施例中，探测到的电压信号和施加在反射膜上的声压幅值之间的关系图，如图7所示。分析图7可知，探测到的电压幅值和施加在反射膜上的声压幅值表现出良好的线性关系。
综上所述，本实施例公开的技术方案能够十分便捷地精确测量声音以及振动，可以开发为集成器件，应用于声压、振动测量领域，该装置可以应用到存在强磁干扰环境下、潮湿等恶劣条件下的声压、振动检测，也可以测量超声波或次声波。
以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种基于相干合成技术的双光纤传声器系统，其特征在于，包括：
光源，用于发射固定波长的单色光；
与所述光源连接的导光单元，用于将所述单色光进行分光，得到多束光信号；
与所述导光单元连接的拾音模块，采用熔点高的无源元件，所述拾音模块包括：双光纤和反射膜，所述拾音模块用于采集声音信息，基于双光纤和反射膜，得到含有声音信息的多束相干光信号；
所述导光单元，还用于通过相干合成技术，将所述多束相干光信号干涉合成单束光信号；
与所述导光单元连接的光电探测模块，用于将所述单束光信号转换为电信号，通过代码将所述电信号还原为声音信号。
2.根据权利要求1所述的基于相干合成技术的双光纤传声器系统，其特征在于，所述双光纤的长度相等，且平行设置在同一水平面，所述双光纤的端面和所述反射膜的距离相等，并构成两个相同的F-P干涉腔。
3.根据权利要求1所述的基于相干合成技术的双光纤传声器系统，其特征在于，所述反射膜可拆换，采用热膨胀系数小的薄膜材料。
4.根据权利要求1所述的基于相干合成技术的双光纤传声器系统，其特征在于，所述导光单元包含若干个端口，所述端口用于将单束光分成多束光，还用于将多束光合成单束光。
5.根据权利要求1所述的基于相干合成技术的双光纤传声器系统，其特征在于，所述拾音模块还包括：双芯光纤石英套管和石英套管外壳；
所述双芯光纤石英套管，用于固定双光纤；
所述石英套管外壳，用于固定反射膜和所述双芯光纤石英套管。
6.根据权利要求1所述的基于相干合成技术的双光纤传声器系统，其特征在于，还包括：数据采集模块和数据处理模块；
所述数据采集模块，用于采集电信号；
所述数据处理模块，用于对所述电信号进行滤波处理，并通过代码还原声音信号。
7.根据权利要求1所述的基于相干合成技术的双光纤传声器系统，其特征在于，所述电信号的电压值，用于反映所述反射膜的振动频率和振动幅值。
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|---|---|
| CN (1) | CN116499574A (zh) |
-
2023
- 2023-04-21 CN CN202310432972.7A patent/CN116499574A/zh active Pending
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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