共光声池腔芯轴型空气衬底光纤麦克风

张刚; 吴许强; 汪辉; 葛强; 左铖; 余国锋; 唐春安; 俞本立

doi:doi:10.3788/AOS202141.0206001

光学学报, 2021, 41 (2): 0206001, 网络出版: 2021-02-28

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Air-Backed Mandrel Fiber Optic Microphone with a Resonant Photoacoustic Tube

论文大纲

张刚 ^1,2吴许强 ^1,2汪辉 ³葛强 ⁴左铖 ^1,2余国锋 ⁵唐春安 ⁶俞本立 ^1,2,*

作者单位

¹ 安徽大学光电信息获取与控制教育部重点实验室, 安徽合肥 230601

² 安徽大学信息材料与智能感知安徽省实验室, 安徽合肥 230601

³ 安徽至博光电技术有限公司, 安徽合肥 230088

⁴ 安徽工程大学数理学院, 安徽芜湖 241000

⁵ 淮南矿业(集团)有限责任公司深部煤炭开采与环境保护国家重点实验室, 安徽淮南 232001

⁶ 大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室, 辽宁大连 116024

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摘要

声传感器和光声池是激光光声光谱技术的核心组件。结合光纤迈克耳孙干涉仪、相位载波解调技术和纵向共振光声池,提出一种共光声池腔的芯轴型空气衬底光纤麦克风。光纤麦克风中的铜毛细管被用作光声池的共振腔,传感臂由10 m长的超细光纤缠绕在铜毛细管上构成,参考臂为5 cm长的短臂且已进行隔声隔振处理。基于结构共振频率稳定的特点,优化光纤麦克风的共振频率,使其略低于光声池的一阶纵向共振频率,以实现准双共振。实验结果表明,麦克风在共振频率为1443 Hz处的最小可检测声压为0.69 μPa/Hz 1/2。在1 kHz处,声压电压响应线性度为99.98%(5 mPa~3 Pa),动态范围为112.52 dB。该光纤麦克风适用于高温、易爆和高电磁干扰等特殊环境下痕量气体的高精度检测。

Abstract

Acoustic sensor and photoacoustic cell are key components of laser-based photoacoustic spectroscopy. In this paper, we proposed an air-backed mandrel fiber optic microphone with a resonant photoacoustic tube, combining the technologies of fiber Michelson interferometer, phase generated carrier demodulation, and longitudinal resonant photoacoustic cell. In the microphone, we fabricated a sensing arm by wrapping a 10-meter ultra-thin single-mode fiber on a copper capillary tube that was also utilized as the resonant tube of the photoacoustic cell. Besides, a 5-cm reference arm has been isolated from sound and vibration. Furthermore, the resonant frequency of the microphone was designed to be slightly lower than the first-order longitudinal resonant frequency of the photoacoustic cell to achieve quasi-double resonance as the resonant frequency of the microphone was stable. The experimental results show that the minimum resolution is 0.69 μPa/Hz ^1/2 at the resonant frequency of 1443 Hz, and the linearity of acoustic pressure and voltage response is 99.98% (5 mPa-3 Pa) with a dynamic range of 112.52 dB at 1 kHz. In conclusion, the microphone can be applied for trace gas detection in high-temperature, explosive, or high-electromagnetic-interference environments.

1 引言

自1880年Bell^[1]发现光声现象后,随着激光器和高灵敏声传感器的发展以及二次谐波检测技术的提出,得益于光声光谱技术具有高灵敏度、高选择性和探测器不受波长限制等优点,光声光谱技术在农业生产^[2]、煤矿安全监测^[3]、医学诊断^[4]、石化^[5]和电力设施实时监测^[6-7]等领域得到越来越多的应用。由于光声信号微弱,光声光谱技术应用时需要声学放大装置和高灵敏度的声传感器,因此声共振装置和声传感器是光声光谱技术的核心组件。1973年,Dewey等^[8]首次提出使用声学谐振腔对微弱的光声信号进行共振放大,相较于非共振工作系统,光声光谱技术的探测灵敏度大大提高。电容式麦克风和石英音叉通常被用作声传感器。2002年,美国Rice大学的Tittel研究组^[9]首次提出石英音叉增强光声光谱技术,利用石英音叉共振实现了光声信号放大,通过其压电特性将光声信号转换为电信号。

由于电容式麦克风必须带电工作,石英音叉必须对压电信号进行低噪声前置放大,故它们在高温、易燃易爆和高电磁干扰等场景中的应用受限。这些缺点可以通过全光或者光纤麦克风来解决。光声信号和麦克风的灵敏度成正比,高灵敏度且本征安全的全光或者光纤麦克风逐步取代了传统的声传感器。1981年,美国海军实验室的Leslie等^[10]提出基于光纤马赫-曾德干涉仪结构和相位检测的麦克风。然而,其受环境噪声的影响较大且工作在非共振状态,故灵敏度较低。1995年,瑞士的Breguet等^[11]提出了基于光纤迈克耳孙干涉仪和萨格纳克干涉仪的麦克风,并结合共振腔实现了痕量气体检测。2003年,芬兰的Welcken等^[12]提出了基于迈克耳孙干涉仪的悬臂梁增强型光声光谱技术。然而,该麦克风存在结构复杂、体积较大和不易与光声池匹配等缺点。2018年,大连理工大学的Chen等^[13]提出了基于光纤法布里-珀罗干涉仪的悬臂式麦克风,其最小可检测声压达5 μPa/ $\sqrt[]{Hz}$ 。然而,其制作困难,需要高成本的微加工、光学对准与封装设备。2020年,他们又等^[14]进一步提出基于纵向共振光声池和悬臂梁光纤麦克风双共振增强的光声光谱技术。然而,光声池谐振腔的一阶纵向共振频率与温度、湿度和气体种类等因素有关,很难实现严格的双共振工作条件,环境控制措施复杂。2020年,饶俏萌等^[15]采用微加工技术研制了一种微型正交干涉型声波传感器,其最小可检测声压达68 μPa/ $\sqrt[]{Hz}$ ,然而传感器的制作工艺复杂。

本文基于光纤迈克耳孙干涉仪、相位载波解调技术和纵向共振光声池,提出一种共光声池腔的芯轴型空气衬底光纤麦克风。该麦克风采用光纤迈克耳孙干涉仪和芯轴型空气衬底设计,传感臂由弯曲不敏感的超细光纤绕制在铜毛细管上构成。通过声学共振腔和麦克风共振频率的优化设计,针对结构共振频率稳定的特点,利用准双谐振在麦克风结构的共振频率处实现了较稳定的工作状态和高灵敏度。

2 基本原理

共光声池腔的芯轴型空气衬底光纤麦克风的结构示意图如图1(a)所示,光声池由准直器、调节法兰、粗铜管、短铝管、铜毛细管、氟化钙光窗、镀金反射镜和端盖等组成;非平衡的光纤迈克耳孙干涉仪的信号臂缠绕在铜毛细管上,将铜毛细管的两端涂覆环氧胶,插入短铝管内固定,如图1(b)所示,然后将其插入带两个缓冲腔的铜管中并使用硅橡胶将两端固定。光纤干涉仪的短参考臂、法拉第旋转镜(FRM)和3 dB耦合器被密封在隔声隔振装置中,以减少外界环境的干扰。窄线宽光纤激光器(NLFL)出射的调制激光经干涉仪的两臂后将光声信号转换成干涉光强中的相位信号,通过光电探测器(PD)将光强转换成电压并送入相位载波解调(PGC)电路,最终解调出光声信号。

在提出的光纤麦克风中存在两种共振机制,第一种是声学谐振腔的一阶纵向共振,第二种是光纤麦克风的结构共振,控制两种共振频率可以实现准双共振工作状态。在声压ΔP的激励下,光纤麦克风的干涉光强可以表示为^[16-17]

I = A + B \cos (C \cos ω_{0} t + Δ ϕ + φ_{0}), (1)

式中:A和B是与光强相关的常量,其中B和干涉仪的干涉效率相关;ω₀是相位载波角频率;C是相位载波调制量(通常设置为2.37 rad);φ₀是干涉仪的初始相位;Δφ是声压信号引起的相移。

图 1. 传感器示意图。(a)光纤麦克风的示意图;(b)光声池的设计图

Fig. 1. Schematic of the sensor. (a) Schematic of the fiber optic microphone; (b) design of the photoacoustic cell

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在声压ΔP作用下,内外半径分别为r₁,r₂的铜毛细管的外半径变化Δr₂为^[17]

Δ r_{2} = \frac{Δ P}{E} r_{2} (\frac{r_{1}^{2} + r_{2}^{2}}{r_{2}^{2} - r_{1}^{2}} - υ_{1}), (2)

式中:E和υ₁是铜毛细管的杨氏模量和泊松比。因为光纤紧密缠绕在铜毛细管表面,铜毛细管的外半径r₂变化Δr₂直接引起两倍缠绕光纤长度l变化Δl,相关关系为

\frac{Δ r_{2}}{r_{2}} = \frac{Δ l}{l} 。 (3)

考虑到光纤的光弹效应和传感光纤的长度变化,声压引起的相移Δφ为

Δ ϕ = knl (\frac{Δ n}{n} + \frac{Δ l}{l}) = \{1 - (\frac{n^{2}}{2}) [p_{12} - υ_{f} (p_{11} + p_{12})]\} kn Δ l = \frac{0.79 knl}{E} (\frac{r_{1}^{2} + r_{2}^{2}}{r_{2}^{2} - r_{1}^{2}} - υ_{1}) Δ P, (4)

式中:k,n和υ_f分别是光的传播常数、光纤折射率和泊松比;p₁₁和p₁₂是光纤纤芯的弹光系数。

忽略缠绕光纤对铜毛细管的影响,光纤麦克风的结构共振频率可以表示为^[18]

f_{m} = \frac{1}{2 π} \sqrt[]{\frac{K_{m}}{M_{m}}} = \frac{1}{2 π} \sqrt[]{\frac{E π (r_{2}^{2} - r_{1}^{2})}{Lρ V_{eff}}}, (5)

式中:K_m和M_m是铜毛细管的等效弹性系数和等效质量;L,ρ和V_eff分别是铜毛细管的长度、密度和有效体积。采用相位载波微分交叉相乘(PGC-DCM)解调方案^[19]的电压灵敏度可以表示为

\begin{array}{l} S = S_{0} \frac{f_{m}^{2}}{{[(f^{2} - f_{m}^{2})^{2} + {(\frac{f f_{m}}{Q})}^{2}]}^{\frac{1}{2}}}, (6) \\ S_{0} = \frac{ζR B^{2} GH J_{1} (C) J_{2} (C) Δ ϕ}{Δ P} = \frac{0.79 ζR B^{2} GH J_{1} (C) J_{2} (C) knl}{E} (\frac{r_{1}^{2} + r_{2}^{2}}{r_{2}^{2} - r_{1}^{2}} - υ_{1}), (7) \end{array}

式中:Q是光纤麦克风与阻尼相关的力学品质因子;f是声压频率;S₀是远低于光纤麦克风共振频率处的灵敏度;ζ和R分别是光电探测器的光电转换系数和等效电阻;G和H分别是一倍频和二倍频的幅值;J₁(C)和J₂(C)分别是一阶和二阶第一类贝塞尔函数。

光声池的一阶纵向共振频率和腔内声压可以表示为^[20]

\begin{array}{l} f_{100} = \frac{v}{2 L_{eff}} = \frac{v}{2 (L + \frac{16 r_{1}}{3 π})} = \frac{1}{2 (L + \frac{16 r_{1}}{3 π})} \sqrt[]{\frac{γK}{M} T}, (8) \\ P_{PA} = |\frac{i f (γ - 1) C_{gas} α P_{laser}}{2 π^{2} r_{1}^{2} (f_{100}^{2} - f^{2} + i \frac{f f_{100}}{Q_{100}})}|, (9) \end{array}

式中:γ是载气的比热比;L_eff是光声池共振管的有效长度;v是载气中的声速;K是气体常数;M是载气摩尔质量;T是热力学温度;α是气体分子吸收系数;C_gas是气体浓度;P_laser是激励激光的光功率;Q₁₀₀是光声池的品质因子。

在共振光声光谱系统中,结合(6)式和(9)式,当光声信号调制频率满足f=f_m时,光声信号输出电压可表示为

V = S P_{PA} = \frac{f_{m} (γ - 1) C_{gas} α P_{laser}}{2 π^{2} r_{1}^{2} \sqrt[]{(f_{100}^{2} - f_{m}^{2})^{2} + {(\frac{f_{m} f_{100}}{Q_{100}})}^{2}}} Q S_{0} 。 (10)

3 光纤麦克风设计和制作

在一个标准大气压、温度为15 ℃时,共振管的纵向共振频率和其长度与内半径的关系如图2(a)所示,长度和内半径越小,纵向共振频率越高。由(10)式可知,光纤麦克风系统输出的光声信号电压随共振管内径减小和长度增大而增大。但是共振管的内径不能过小,否则会增加激励激光的光束准直难度,同时也增加了缠绕在共振管上光纤的损耗。共振管的长度也不能过长,否则纵向共振频率将过低,容易受环境噪声的影响,同时也降低了便携性。综合以上分析,将共振管的长度和内半径确定为100 mm和1.8 mm,在一个标准大气压下其一阶纵向共振频率和温度的关系如图2(b)所示,在温度为15 ℃时,其一阶纵向共振频率为1651 Hz。

图 2. 在101.325 kPa、15 ℃下光声池仿真结果。(a)光声池一阶纵向共振频率和其共振管长度与内半径的关系;(b) 101.325 kPa 下共振管长度和内半径为100 mm和1.8 mm时一阶纵向共振频率和温度的关系

Fig. 2. Simulated results of the photoacoustic cell at 101.325 kPa and 15 ℃. (a) Longitudinal resonant frequency of the photoacoustic cell versus its length and inner radius; (b) longitudinal resonant frequency versus temperature when the length is 100 mm and inner radius is 1.8 mm

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根据(10)式,假设Q₁₀₀=50并将(γ-1)×C_gasαP_laserQS₀/(2π $r_{1}^{2}$ )归一化为1,归一化后的光声信号电压与光纤麦克风的共振频率的关系如图3所示,由图可知,当麦克风的结构共振频率和光声池的一阶纵向共振频率相等时,系统工作在双共振状态,输出幅值最大。但由图2(b)可知,光声池的共振频率随着温度增加而变大,因此需要对温度和湿度进行严格控制以实现双共振的工作状态,但这将导致系统复杂。由于光纤麦克风的结构共振频率受温度和湿度等环境因素的影响可以忽略,故设光纤麦克风的共振频率和光声信号调制频率相等,且略低于光声池的一阶纵向共振频率,此时系统工作在较稳定的准双共振状态。

图 3. 光纤麦克风系统输出光声信号电压与麦克风共振频率的关系

Fig. 3. Output voltage of the microphone versus its resonant frequency

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图 4. 光纤麦克风一阶结构共振模态的形变

Fig. 4. Deformation of the first order resonant mode for the fiber optic microphone

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在共振管长度和内半径确定情况下,由(5)式可知,共振管的杨氏模量越小,外半径越小,密度越大,光纤麦克风的结构共振频率越小。综合分析后,选择黄铜毛细管作为共振管并将外半径设置为2 mm。在两端固定支撑条件下,铜毛细管的有限元模态分析结果如图4所示,光纤麦克风的结构共振频率为1483 Hz,两端形变为0,越靠近铜毛细管中心位置,形变越大。

根据以上分析结果制作光纤麦克风,首先将10 m长的纤芯、包层和涂覆直径分别为4.2,50,110 μm的单模光纤(Fibercore SM1500)绕制在铜毛细管上,两端各留20 mm的距离不缠绕光纤,同时在绕制过程中沿光纤径向施加0.5 N的张力,如图5(a)所示,绕制后的光纤损耗为7.4 dB,接着和图5(a)插图中的工作波长为1550 nm的小法拉第旋转镜(直径:2.5 mm,长:12 mm)熔接;光声池的缓冲腔长度和直径选择为50 mm和26 mm,外直径和内管直径选择为40 mm和10 mm,将缠绕了光纤的铜毛细管两端插入外直径为10 mm、内直径为4 mm、长为5 mm的短铝管中,接着再插入光声池的内管中,如图5(b)所示。参考文献[ 21]的方案,铜毛细管和光声池内管之间用空气衬底来提高灵敏度且使传感光纤与环境噪声隔离;将传感臂光纤的一端从端盖中穿出并和3 dB光纤耦合器、法拉第旋转镜熔接成一个光纤迈克耳孙干涉仪,其中参考臂长度为5 cm,制作完成的麦克风的传感单元右视图如图5(c)所示。目标气体的激励激光经过调制后可以从光声池左侧的准直器,透过氟化钙光窗,射入光声池的共振管内。固定准直器的法兰和端盖通过3个螺柱以及碟形弹簧连接,激励光的入射角度可以通过调节法兰上的3个螺柱的拧入深度、压缩碟形弹簧来调整,如图5(d)所示。

图 5. 光纤麦克风制作过程。(a)小法拉第旋转镜及缠绕超细光纤的铜毛细管;(b)插入铜毛细管的光声池;(c)封装在光声池的光纤麦克风的右视图;(d)封装在光声池的光纤麦克风的左视图

Fig. 5. Fabrication process of the fiber optic microphone. (a) A mini FRM and the copper capillary tube wrapped with an ultra-thin fiber; (b) photoacoustic cell with inserted copper capillary tube; (c) left view of the fiber optic microphone integrated with the photoacoustic cell; (d) right view of the fiber optic microphone integrated with the photoacoustic cell

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4 实验结果与分析

4.1 实验测试装置

采用共振声谱法中的稳态法^[22]对共光声池腔的光纤麦克风的性能进行了测试,实验测试装置示意图如图6所示。测试中光声池的非出纤端帽被去除,并正对扬声器。使用B & K PULSE Labshop软件中的信号发生器产生正弦扫频激励信号,扫频范围设置为100~5100 Hz。扫频信号通过数据转换面板(B & K 3160-A-022)送入功率放大器进行放大,然后驱动消音测试箱(B & K Type 4232)中的扬声器产生激励声压。激励声压被参考麦克风(B & K Type 4192)标定。光纤麦克风光源采用实验室自制的窄线宽(<0.5 kHz)光纤激光器^[23],波长为1550 nm,频率调制量为3.9 MHz。光源出射光经环形器进入干涉仪,携带声压信号的干涉光被光电探测器转换成电压信号并送入PGC-DCM解调电路,解调出的信号被数据转换面板(B & K 3160-A-022)采集。通过软件中Steady State Response(SSR)分析仪将参考麦克风和测试麦克风在激励频率处的声压幅值和电压幅值记录下来,其中SSR分析仪的分辨率设置为1 Hz,扫描点数为500,每个点间隔10 Hz。SSR分析仪可以对扫描声压幅值进行恒值设置,本文将激励声压幅值设置为0.1 Pa (74 dB re 20 μPa)。

图 6. 共光声池腔的光纤麦克风实验装置示意图

Fig. 6. Experimental setup of the fiber optic microphone integrated with a photoacoustic cell

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4.2 实验结果和分析

参考麦克风和光纤麦克风的频率响应如图7所示,2020年6月14日的测试结果如图7(a)所示,参考麦克风在100~5100 Hz范围内实测激励声压的幅值为0.1 Pa,光纤麦克风在1443 Hz和1603 Hz处出现了两个共振峰,分别对应光纤麦克风的结构共振频率和共振管的一阶纵向共振频率。2020年6月15日的测试结果如图7(b)所示,光纤麦克风在1443 Hz和1643 Hz处出现两个共振峰,分别对应光纤麦克风的结构共振频率和共振管的纵向共振频率。两次测试的共振频率与仿真值(1483 Hz和1651 Hz)略有偏差,主要原因是加工误差以及铜毛细管的参数(杨氏模量、密度等)存在偏差。两次实验结果表明光纤麦克风的结构共振频率稳定,两次测试均为1443 Hz,但共振管的共振频率随着环境(温度和湿度等)变化而略有变化,从1603 Hz变化为1643 Hz。同时,两次测试中光纤麦克风分别在250.3 Hz和270.4 Hz处出现一个较大的共振峰,这是由于:测试时声压从一端进入共振管,从而激发了共振管的低频共振频率;当光声信号在共振管内产生时,不会出现低频共振峰。

保持消音测试箱外部环境安静的情况下,参考麦克风和光纤麦克风的本底噪声如图8所示。实验结果表明,光纤麦克风易受300 Hz以下的低频噪声的影响,但高频部分较为平坦。根据图7中所示的光纤麦克风电压幅值频率响应和图8的本底噪声,计算得到光纤麦克风的电压灵敏度和最小可检测声压,如图9所示。图9(a)是2020年6月14日的测试结果,光纤麦克风结构共振频率处的电压灵敏度为312 mV/Pa,最小可检测声压为0.69 μPa/ $\sqrt[]{Hz}$ 。图9(b)2020年是6月15日的测试结果,光纤麦克风结构共振频率处的电压灵敏度为283 mV/Pa,最小可检测声压为0.76 μPa/ $\sqrt[]{Hz}$ 。光纤麦克风的理论电压灵敏度和最小可探测声压为3.44 mV/Pa和62.5 μPa/ $\sqrt[]{Hz}$ ,因此两次测得的光纤麦克风在结构共振频率处的Q值分别为90.57和82.23。这是由于环境温度等因素变化,引起共振管的一阶纵向共振频率从1603 Hz变化为1643 Hz,导致光纤麦克风结构共振频率处声压放大倍数降低。

图 7. 光纤麦克风在0.1 Pa声压(100~5100 Hz)激励下的输出电压响应。(a)2020年6月14日;(b)2020年6月15日

Fig. 7. Output voltage response of the fiber optic microphone under the acoustic pressure of 0.1 Pa (100--5100 Hz). (a) 14^th June, 2020; (b) 15^th June, 2020

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图 8. 光纤麦克风在安静环境下的本底噪声

Fig. 8. Noise factor of the fiber optic microphone in a quiet condition

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图 9. 光纤麦克风测得的电压灵敏度、声压分辨率和声压频率的关系。(a) 2020年6月14日;(b) 2020年6月15日

Fig. 9. Measured voltage sensitivity and acoustic pressure resolution of the fiber optic microphone versus the frequency. (a) 14^th June, 2020; (b) 15^th June, 2020

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在激励声压频率为1 kHz时,改变激励声压幅值大小,光纤麦克风在1 kHz处输出电压幅值如图10所示。在5 mPa~3 Pa声压范围内,电压幅值响应呈线性,线性度为99.98%。

为了测试光纤麦克风的动态范围,使用B & K PULSE Labshop软件的总谐波失真(THD)测量功能。继续增大1 kHz激励声压的幅值至10.4 Pa,此时实测总谐波失真为0.999%,如图11所示。此时光纤麦克风在1 kHz处的电压幅值为-7.48 dB,本底噪声为-120 dB,因此实测动态范围为112.52 dB(1% THD)。

图 10. 光纤麦克风输出电压和激励声压(1 kHz)幅值关系

Fig. 10. Output voltage of the fiber optic microphone versus the amplitude of acoustic pressure at 1 kHz

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图 11. 光纤麦克风的动态范围(1 kHz)

Fig. 11. Dynamic range of the fiber optic microphone at 1 kHz

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5 结论

提出一种共光声池腔的芯轴型空气衬底光纤麦克风。光纤麦克风采用光纤迈克耳孙干涉仪结构、共光声池共振管、芯轴型空气衬底设计,并使用相位载波解调方案。针对结构共振频率稳定的特点,光纤麦克风的结构共振频率和光声池的一阶纵向共振频率分别设计为1483 Hz和1651 Hz以实现准双共振。实验结果表明,该麦克风的结构共振频率稳定,实测的结构共振频率为1443 Hz,最小可检测声压为0.69 μPa/ $\sqrt[]{Hz}$ 。在1 kHz处,声压电压响应线性度为99.98%(5mPa~3 Pa),动态范围为112.52 dB (1% THD)。该共光声池共振管光纤麦克风为高温、易爆和高电磁干扰等特殊环境中痕量气体检测提供了新的工具。

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1 引言

2 基本原理

图 1. 传感器示意图。(a)光纤麦克风的示意图;(b)光声池的设计图

Fig. 1. Schematic of the sensor. (a) Schematic of the fiber optic microphone; (b) design of the photoacoustic cell

3 光纤麦克风设计和制作

图 2. 在101.325 kPa、15 ℃下光声池仿真结果。(a)光声池一阶纵向共振频率和其共振管长度与内半径的关系;(b) 101.325 kPa 下共振管长度和内半径为100 mm和1.8 mm时一阶纵向共振频率和温度的关系

Fig. 2. Simulated results of the photoacoustic cell at 101.325 kPa and 15 ℃. (a) Longitudinal resonant frequency of the photoacoustic cell versus its length and inner radius; (b) longitudinal resonant frequency versus temperature when the length is 100 mm and inner radius is 1.8 mm

图 3. 光纤麦克风系统输出光声信号电压与麦克风共振频率的关系

Fig. 3. Output voltage of the microphone versus its resonant frequency

图 4. 光纤麦克风一阶结构共振模态的形变

Fig. 4. Deformation of the first order resonant mode for the fiber optic microphone

图 5. 光纤麦克风制作过程。(a)小法拉第旋转镜及缠绕超细光纤的铜毛细管;(b)插入铜毛细管的光声池;(c)封装在光声池的光纤麦克风的右视图;(d)封装在光声池的光纤麦克风的左视图

4 实验结果与分析

4.1 实验测试装置

图 6. 共光声池腔的光纤麦克风实验装置示意图

Fig. 6. Experimental setup of the fiber optic microphone integrated with a photoacoustic cell

4.2 实验结果和分析

图 7. 光纤麦克风在0.1 Pa声压(100~5100 Hz)激励下的输出电压响应。(a)2020年6月14日;(b)2020年6月15日

Fig. 7. Output voltage response of the fiber optic microphone under the acoustic pressure of 0.1 Pa (100--5100 Hz). (a) 14^th June, 2020; (b) 15^th June, 2020

图 8. 光纤麦克风在安静环境下的本底噪声

Fig. 8. Noise factor of the fiber optic microphone in a quiet condition

图 9. 光纤麦克风测得的电压灵敏度、声压分辨率和声压频率的关系。(a) 2020年6月14日;(b) 2020年6月15日

Fig. 9. Measured voltage sensitivity and acoustic pressure resolution of the fiber optic microphone versus the frequency. (a) 14^th June, 2020; (b) 15^th June, 2020

图 10. 光纤麦克风输出电压和激励声压(1 kHz)幅值关系

Fig. 10. Output voltage of the fiber optic microphone versus the amplitude of acoustic pressure at 1 kHz

图 11. 光纤麦克风的动态范围(1 kHz)

Fig. 11. Dynamic range of the fiber optic microphone at 1 kHz

5 结论

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1 引言

2 基本原理

图 1. 传感器示意图。(a)光纤麦克风的示意图;(b)光声池的设计图

Fig. 1. Schematic of the sensor. (a) Schematic of the fiber optic microphone; (b) design of the photoacoustic cell

3 光纤麦克风设计和制作

图 2. 在101.325 kPa、15 ℃下光声池仿真结果。(a)光声池一阶纵向共振频率和其共振管长度与内半径的关系;(b) 101.325 kPa 下共振管长度和内半径为100 mm和1.8 mm时一阶纵向共振频率和温度的关系

Fig. 2. Simulated results of the photoacoustic cell at 101.325 kPa and 15 ℃. (a) Longitudinal resonant frequency of the photoacoustic cell versus its length and inner radius; (b) longitudinal resonant frequency versus temperature when the length is 100 mm and inner radius is 1.8 mm

图 3. 光纤麦克风系统输出光声信号电压与麦克风共振频率的关系

Fig. 3. Output voltage of the microphone versus its resonant frequency

图 4. 光纤麦克风一阶结构共振模态的形变

Fig. 4. Deformation of the first order resonant mode for the fiber optic microphone

图 5. 光纤麦克风制作过程。(a)小法拉第旋转镜及缠绕超细光纤的铜毛细管;(b)插入铜毛细管的光声池;(c)封装在光声池的光纤麦克风的右视图;(d)封装在光声池的光纤麦克风的左视图

4 实验结果与分析

4.1 实验测试装置

图 6. 共光声池腔的光纤麦克风实验装置示意图

Fig. 6. Experimental setup of the fiber optic microphone integrated with a photoacoustic cell

4.2 实验结果和分析

图 7. 光纤麦克风在0.1 Pa声压(100~5100 Hz)激励下的输出电压响应。(a)2020年6月14日;(b)2020年6月15日

Fig. 7. Output voltage response of the fiber optic microphone under the acoustic pressure of 0.1 Pa (100--5100 Hz). (a) 14th June, 2020; (b) 15th June, 2020

图 8. 光纤麦克风在安静环境下的本底噪声

Fig. 8. Noise factor of the fiber optic microphone in a quiet condition

图 9. 光纤麦克风测得的电压灵敏度、声压分辨率和声压频率的关系。(a) 2020年6月14日;(b) 2020年6月15日

Fig. 9. Measured voltage sensitivity and acoustic pressure resolution of the fiber optic microphone versus the frequency. (a) 14th June, 2020; (b) 15th June, 2020

图 10. 光纤麦克风输出电压和激励声压(1 kHz)幅值关系

Fig. 10. Output voltage of the fiber optic microphone versus the amplitude of acoustic pressure at 1 kHz

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