CN202385275U - 基于自混合干涉测量方法的实时语音信号拾取装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于自混合干涉测量方法的实时语音信号拾取装置，其特征是具有：一圆柱壳，在其内部形成一封闭腔，圆柱壳与被测物体固定连接；一音膜，位于圆柱壳封闭腔的横断面上并以周边支撑在与圆柱壳的内侧壁连接的定位台阶上；一半导体激光器，是以刚性支架固定设置在圆柱壳封闭腔内，与音膜在同轴位置上；半导体激光器用于向音膜发出光信号，并接收来自音膜的反馈光信号；以光电探测器作为光电信号转换单元；以信号处理单元接收光电探测器的输出信号，并输出声音检测信号。本实用新型利用半导体激光自混合效应感测声音信号，避免了电磁干扰，能够高灵敏度、高精度、大响应范围拾取外界声音信号。

Description

基于自混合干涉测量方法的实时语音信号拾取装置

技术领域

本实用新型涉及声光转换、声振动的光学检测办法，特别涉及一种光学型实时语音信号拾取装置。

背景技术

现有实时语音信号拾取产品包括麦克风、助听器、对讲系统等，其语音信号拾取的原理是将声音信号转换为电信号并重新转化为声音信号的能量转换器件。

以麦克风为例说明语音信号拾取产品的原理。目前传统电学型麦克风一般分为动圈麦克风和驻极体麦克风。动圈麦克风是外界声音通过空气使震膜震动，然后在震膜上的线圈绕组和环绕在动圈麦头的磁铁形成磁力场切割，形成微弱的电流。驻极体麦克风的工作原理是同样是外界声音通过空气使震膜震动，从而引起上震膜和下金属铁片的距离产生变化，使其电容改变，形成电流阻抗。无论是何种类型的电学型麦克风均是声音信号引起薄膜振动并最终转化为可感测电信号并还原出原始的声音信号，实现语音信号的拾取。

但是上述麦克风装置抗电磁干扰能力差、对环境要求较高、灵敏度差、频率响应范围窄。

光学型麦克风一般采用光波的强度和相位的检测方法，对薄膜的振动情况进行检测，进而实现语音信号的拾取，具有抗电磁干扰、优异的声音精度、高灵敏度、大动态范围、长寿命，高可靠性，易复用，可应用于高温高压、易燃易爆等恶劣环境等优势，可充分解决传统电学型麦克风所存在的主要问题。

但是，目前的光学型麦克风一般需多光路设计或者依赖于光纤等辅助设施，相对传统电学型麦克风往往又存在造价高、结构复杂的劣势，无法大范围取代现存的传统电学型麦克风。

半导体激光器作为光源的激光自混合干涉原理如图1所示。干涉系统由半导体激光器和外部反射物体组成。反馈光存在的时候可以通过改变激光器腔内的载流子密度造成激光介质折射率发生变化进而调制激光器本身的频率和强度，形成了自混合干涉。

图1中半导体激光器长度为L₀，它的端面反射系数分别为r₁和r₂，外腔反射系数为r₃，L_ext为激光器外腔长度，n为激光介质的折射率。初始的光场为E₀，自混合干涉后的光场E(t)：

$E\left(t\right)=r_1{r}_2\exp \{-j4\mathrm{\πv}\frac{{\mathrm{nL}}_0}{c}+(g-\mathrm{\γ})L_0\}{E}_0+$

(1)

$r_1(1-r_2^2)\exp \{-j4\mathrm{\πv}\frac{{\mathrm{nL}}_0+L_{\mathrm{ext}}}{c}+(g-\mathrm{\γ})L_0\}{E}_0$

式(1)中：g为激光腔内单位长度引起的线性增益，γ为激光腔内单位长度的损耗，v为激光的振荡频率。由于激光器阈值增益被反馈光调制，激光输出功率比例于激光阈值增益，因此，激光的输出功率被反馈光调制，输出的光功率可表示为：

I＝I₀[1+mcos(2πvπ_L)]               (2)

这里调制系数m在工作电流一定时为比例于反馈强度的常数。代表激光在内外腔传播一周的延迟时间，I₀为激光器没有外腔反馈时的激光强度。

式(2)中，激光器的输出强度与激光器外腔长度的变化相关及反馈物的位移相关。

但是，迄今为止，半导体激光器作为光源的激光自混合干涉原理并没有在语音信号拾取装置中进行应用。

实用新型内容

本实用新型是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种制作成本低、灵敏度高，易于批量化生的基于自混合干涉测量方法的语音信号拾取装置。

本实用新型为解决技术问题采用如下技术方案：

本实用新型基于自混合干涉测量方法的实时语音信号拾取装置的结构特点是具有：

一固定设置的圆柱壳，在其内部形成一封闭腔；一音膜，位于圆柱壳封闭腔的横断面上，所述音膜是以周边支撑在定位台阶上，所述定位台阶与音膜处在同轴位置上，定位台阶固定设置在圆柱壳的内侧壁上；以光电探测器、信号处理单元、驱动和调制单元与所述半导体激光器共同构成信号传感单元；其中，所述半导体激光器用于向音膜发出光信号，并接收来自音膜的反馈光信号；所述光电探测器作为光电信号转换单元；所述驱动和调制单元通过改变半导体激光器的注入电流或其它相关参数调制半导体激光器的光源强度、波长、激光相位或激光偏振态；所述信号处理单元接收光电探测器的输出信号，输出并还原声音信号。

本实用新型基于自混合干涉测量方法的实时语音信号拾取装置的结构特点也在于：

所述音膜为表面具有金属镀层，并能响应外界声音信号的薄膜。

在所述半导体激光器的前端设置透镜或透镜组，以所述透镜或透镜组调节半导体激光器出射光强和所获得的反馈光光强。

所述半导体激光器为F-P激光器(Fabry-Perot Laser)、DFB激光器(Distributed FeedbackLaser)或VCSEL激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser)。

在所述圆柱壳上，处在音膜所在的一端设置有声音导入孔，所述声音导入孔、音膜与所述信号传感单元中半导体激光器的光轴处在同轴位置上，作为声音通道的声音导入孔的几何尺寸可根据需要进行调节。

本实用新型通过语音信号拾取装置中的音膜，将声音信号转化为音膜的形变即位移量，再利用自混合效应测量出形变的大小，最终获得传感器所感受的外界声音。与已有技术相比，本实用新型有益效果体现在：

1、本实用新型利用半导体激光自混合效应拾取声音信号，完全避免了电磁干扰，能够高灵敏度、大响应范围测量外界声音信号；

2、本实用新型采用激光调制方案，可有效避免外界非目标振动对自混合信号的影响，降低了系统的噪声，提高系统的抗干扰能力以及探测微弱声音信号的能力；

3、本实用新型结构简单紧凑、重量轻、耗电低、灵敏度及清晰度高、工作稳定可靠。

附图说明

图1为自混合干涉系统示意图；

图2为本实用新型结构示意图；

图中标号：1圆柱壳；2半导体激光器；3音膜；4端盖；5声音导入孔；6透镜或透镜组；7光电探测器；8信号处理单元；9驱动和调制单元；10定位台阶；11缆线孔。

具体实施方式

本实施例中基于自混合干涉测量方法的实时语音信号拾取装置具有：

一固定设置的圆柱壳1，在其内部形成一封闭腔；一音膜3，选择体积小、重量轻、灵敏度高及频率响应优越的材料，音膜3位于圆柱壳封闭腔的横断面上，音膜3是以周边支撑在定位台阶10上，定位台阶10与音膜3处在同轴位置上，定位台阶10固定设置在圆柱壳1的内侧壁上；以光电探测器7、信号处理单元8、驱动和调制单元9与半导体激光器2共同构成信号传感单元；其中，半导体激光器2用于向音膜3发出光信号，并接收来自音膜3的反馈光信号；半导体激光器2发出的光通过封闭腔传播到音膜3，此时音膜3因受外界声场的作用而处于振动状态。以圆形平膜片为例，在声压P的作用下，假设膜片所受载荷为均匀分布，则中心最大挠度(位移)y_max为：

$y_{\max }=\frac{3}{16}\left({1-\mathrm{\μ}}^2\right)\frac{R^{2}P}{{\mathrm{Eh}}^3}---\left(3\right)$

式(3)中y_max是膜片中心的最大挠度，μ是所选材料的泊松系数，R是膜片的半径，P是声压，E是材料的弹性模量，h是所选膜片的厚度。本实用新型可进一步采用镀有金属反射膜的波纹膜片，通过波纹间的结构形变和自调整来减小自身变形应力，从而改善传感器的线性度和相应灵敏度。经音膜3的反馈光携带有外部声场的相关信息再经封闭腔传播回半导体激光器2；光电探测器7作为光电信号转换单元，将反馈回半导体激光器2的光信号转换成电信号；驱动和调制单元9通过改变半导体激光器2的注入电流或其它相关参数调制半导体激光器2的光源强度、波长、激光相位或激光偏振态；信号处理单元8接收光电探测器7的输出信号，输出并还原声音信号。信号处理单元8按常规设置有放大、滤波和解调部分。

音膜3为表面具有金属反光镀层，并能响应外界声音信号的薄膜。

在半导体激光器2的前端设置透镜或透镜组6，以透镜或透镜组6调节半导体激光器2出射光强和所获得的反馈光光强；半导体激光器2可以采用F-P激光器(Fabry-Perot Laser)、DFB激光器(Distributed Feedback Laser)或VCSEL激光器(Vertical Cavity Surface EmittingLaser)等。

在圆柱壳1上，处在音膜3所在的一端设置有声音导入孔5，声音导入孔5、音膜3与信号传感单元中半导体激光器2的光轴处在同轴位置上，作为声音通道的声音导入孔5的几何尺寸可根据需要进行调节，以增强实时语音信号拾取装置的声学性能；在圆柱壳1上，处在信号传感单元所在一端设置一缆线孔11，缆线孔11用于贯穿数据线和电源线；在声音导入孔5的外围设置用于保护音膜3的端盖4，并形成圆柱壳内的封闭空腔。

Claims (5)

1.一种基于自混合干涉测量方法的实时语音信号拾取装置，其特征是具有：

一固定设置的圆柱壳(1)，在其内部形成一封闭腔；一音膜(3)，位于圆柱壳封闭腔的横断面上，所述音膜(3)是以周边支撑在定位台阶(10)上，所述定位台阶(10)与音膜(3)处在同轴位置上，定位台阶(10)固定设置在圆柱壳(1)的内侧壁上；以光电探测器(7)、信号处理单元(8)、驱动和调制单元(9)与所述半导体激光器(2)共同构成信号传感单元；其中，所述半导体激光器(2)用于向音膜(3)发出光信号，并接收来自音膜(3)的反馈光信号；所述光电探测器(7)作为光电信号转换单元；所述驱动和调制单元(9)通过改变半导体激光器(2)的注入电流或其它相关参数调制半导体激光器(2)的光源强度、波长、激光相位或激光偏振态；所述信号处理单元(8)接收光电探测器(7)的输出信号，输出并还原声音信号。

2.根据权利要求1所述的基于自混合干涉测量方法的实时语音信号拾取装置，其特征是所述音膜(3)为表面具有金属镀层，并能响应外界声音信号的薄膜。

3.根据权利要求1所述的基于自混合干涉测量方法的实时语音信号拾取装置，其特征是在所述半导体激光器(2)的前端设置透镜或透镜组(6)，以所述透镜或透镜组(6)调节半导体激光器(2)出射光强和所获得的反馈光光强。

4.根据权利要求1所述的基于自混合干涉测量方法的实时语音信号拾取装置，其特征是所述半导体激光器(2)为F-P激光器、DFB激光器或VCSEL激光器。

5.根据权利要求1所述的基于自混合干涉测量方法的实时语音信号拾取装置，其特征是在所述圆柱壳(1)上，处在音膜(3)所在的一端设置有声音导入孔(5)，所述声音导入孔(5)、音膜(3)与所述信号传感单元中半导体激光器(2)的光轴处在同轴位置上，作为声音通道的声音导入孔(5)的几何尺寸可根据需要进行调节。

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