劉 理，徐 來，毛莉莉，勞澤鋒，曾 偉

(1.華中科技大學 光學與電子信息學院，湖北 武漢 430074；2.江蘇永鼎股份有限公司，江蘇 蘇州 215211；3.九江學院 電子信息工程學院，江西 九江 332005)

0 引 言

聲波是由物體振動在彈性介質(zhì)中傳播形成的, 包含豐富的目標特征信息，因此,可以通過“聽音號脈”的方式檢測一些特定的目標信息。聲波檢測已經(jīng)被廣泛地用于自然災(zāi)害預(yù)警[1,2]、噪聲監(jiān)測[3]、無損檢測[4]和超聲成像[5]等諸多領(lǐng)域。電子式聲波傳感技術(shù)相對成熟，因具有高靈敏度、高信噪比、寬頻帶、工作性能可靠等特點而被廣泛應(yīng)用，但是電子式低頻聲波傳感器也出現(xiàn)了很多問題。首先，比較突出的問題包括電纜負載、連接電纜的共振效應(yīng)、低頻噪音大，穩(wěn)定性、可靠性較差，不易組網(wǎng)應(yīng)用等；其次，信號易受外界復(fù)雜環(huán)境電磁干擾；另外，壓電傳感器靈敏度低，無法感應(yīng)微弱聲波信號，不能遠距離大容量傳輸；電容性傳感器線性響應(yīng)度差、容易出現(xiàn)溫漂、低頻測量阻抗匹配難度大等問題[6]。這些問題從本質(zhì)上都是由壓電、電容器件本身電氣特性所決定的。

光纖聲波傳感技術(shù)結(jié)合光纖直徑小、質(zhì)量輕、耐高溫、抗腐蝕、強抗電磁干擾、傳輸信號損耗小、集傳感與傳輸一體的特性來解決常規(guī)電子式聲波傳感器難以完全勝任的測量問題。近年來，基于光纖干涉儀的聲波傳感技術(shù)得到了飛速的發(fā)展，相關(guān)技術(shù)也越來越完善。基于邁克爾遜干涉儀和馬赫—曾德爾干涉儀的聲波傳感器，通常是將干涉儀的一個干涉臂作為參考臂，一個干涉臂纏繞在傳感膜片上作為傳感臂，采用相位生成載波或者3×3耦合器解調(diào)算法進行相位解調(diào)，這類型聲波傳感器相位靈敏度非常高，但溫漂明顯、尺寸大、偏振噪聲高、解調(diào)系統(tǒng)復(fù)雜[7～9]。基于塞格納克(Sagnac)干涉儀的聲波傳感器是利用聲波擾動光纖環(huán)，致使順時針和逆時針光路產(chǎn)生相位差，需要較長的時延線，而且環(huán)路光纖要纏繞在增敏柱體上提高靈敏度，因此體積較大，并且頻率響應(yīng)不平坦[10～12]?；诜ú祭铩炅_(Fabry-Perot，F(xiàn)-P)干涉儀的聲波傳感器通常是利用傳感膜片和光纖端面構(gòu)成F-P腔，通過膜片形變調(diào)制F-P腔長，因具有響應(yīng)頻帶寬、體積小、解調(diào)系統(tǒng)簡單等優(yōu)點而備受研究者青睞。不同種類的傳感薄膜，如紫外膠薄膜[13]、金膜[14,15]、銀膜[16]、硅膜[17]、石墨烯薄膜[18]、糖基薄膜[19]和聚合物薄膜[20]等，已被用于構(gòu)建F-P干涉型聲波探測器，但這些薄膜的制作工藝比較復(fù)雜，靈敏度還有待提高。

本文采用制作工藝十分成熟的鍍鎳聚苯硫醚(polyphenylene sulfide，PPS)薄膜構(gòu)建F-P干涉儀用于高靈敏度聲波探測，通過優(yōu)化薄膜尺寸，實現(xiàn)了50 Hz～20 kHz頻率范圍內(nèi)的聲波探測，靈敏度高達549.8 mV/Pa，信噪比達57 dB，最小可探測聲壓為28 dB。

1 傳感器設(shè)計與基本原理

本文設(shè)計的聲波傳感器如圖1所示，由陶瓷插芯、單模光纖、鋁制套管、防塵網(wǎng)、鋁制外殼、復(fù)合薄膜和銅環(huán)等部件按圖示結(jié)構(gòu)組成。防塵網(wǎng)起到保護傳感膜片的作用；外殼和套管是整個傳感器的支撐件，套管上有微小的氣孔用于平衡內(nèi)外氣壓；陶瓷插芯用于固定單模光纖；銅環(huán)用于固定傳感薄膜。單模光纖端面和復(fù)合薄膜的端面構(gòu)成F-P腔，當復(fù)合薄膜感應(yīng)到聲波時，會發(fā)生形變從而調(diào)制F-P腔長，弱反F-P干涉輸出為

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)示意

(1)

式中A為直流分量，B為F-P干涉儀的調(diào)制幅度，λ為輸入激光波長，n為空氣折射率，l0為F-P腔初始腔長，s為復(fù)合薄膜聲壓響應(yīng)靈敏度，p和ω為作用在復(fù)合薄膜上聲壓的大小和角頻率。通過調(diào)節(jié)激光器的波長使得干涉儀的初始相位為

(2)

如果4πnsp/λ?1，F(xiàn)-P干涉輸出可近似表示為

(3)

因此，可以通過直接檢測干涉儀輸出強度變化即可實現(xiàn)聲信號解調(diào)。

因為PPS薄膜具有機械強度高、耐高溫、耐化學腐蝕、難燃、熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，本文采用2 μm厚PPS薄膜作為聲學感應(yīng)薄膜。對PPS薄膜邊緣施加一定的預(yù)應(yīng)力，通過膠水使其平整的固定在銅環(huán)上。為了增加PPS薄膜的反射率，采用磁控濺射的方法在其表面鍍上一層約100 nm厚的鎳膜，形成金屬—聚合物復(fù)合型薄膜，其優(yōu)點在于：不用嚴格保證光纖垂直于薄膜，便于傳感器的制作；提高F-P干涉條紋對比度，增加傳感器的靈敏度。本文制作的傳感器典型干涉譜如圖2所示，F(xiàn)-P腔長約160 μm，干涉條紋消光比可達12 dB, 可保證傳感器高靈敏度輸出。

圖2 F-P干涉譜

本文通過PPS薄膜實現(xiàn)高效聲光換能，薄膜的一階諧振頻率為

(4)

式中h和ρ分別為薄膜的厚度和密度，r為薄膜的半徑，T為薄膜邊緣受到的預(yù)應(yīng)力。當作用在薄膜上的聲波頻率遠小于薄膜一階諧振頻率時，薄膜中心位置發(fā)生的形變量為

(5)

結(jié)合等式(4)和式(5)可知，薄膜半徑越小，靈敏度越高，但諧振頻率越低，工作頻率范圍越窄；薄膜邊緣所受的預(yù)應(yīng)力越大，靈敏度越低，但諧振頻率越高，工作頻率越寬。為了保證設(shè)計的傳感器既具有高的靈敏度和寬的頻率工作范圍，復(fù)合薄膜的有效工作半徑設(shè)置為2.3 mm；粘貼薄膜時，薄膜邊緣施加的預(yù)應(yīng)力設(shè)置為20 N/m。本文通過COMSOL軟件對薄膜聲學特性進行模擬仿真，PPS薄膜的楊氏模量、泊松比和密度分別為3.8 GPa，0.1和1.32 g/cm3，銅環(huán)的內(nèi)、外直徑分別為4.6 mm和6 mm，1 Pa壓力下，傳感膜片中心位置的形變量為66.112 5 nm，如圖3(a)所示，計算出傳感膜片聲壓靈敏度為66.112 5 nm/Pa，與式(5)計算結(jié)果基本一致。同時對傳感薄膜的模態(tài)進行了計算，一階特征模態(tài)響應(yīng)如圖3(b)所示，一階諧振頻率為14 484 Hz，計算結(jié)果和式(4)計算結(jié)果一致。

圖3 膜片聲學性能仿真

2 實驗結(jié)果與討論

本文采用圖4所示方案，測試傳感器的性能，光源采用Alnair Labs TLG—200 窄線寬可調(diào)諧激光器作為光源，工作波長設(shè)置為1 544.5，使得干涉儀初始相位為(π/2+2πm)，功率為10 dBm。激光器發(fā)出的光通過環(huán)形器入射至傳感器，然后通過Newport 1623光電探頭接收反射光，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，最后通過OWON EDS102E示波器檢測時域波形變化。通過信號發(fā)生器和功率放大器驅(qū)動喇叭發(fā)出特定頻率的聲波信號，利用標準聲級計標定聲壓大小。

圖4 傳感器性能測試方案

將信號發(fā)生器的頻率設(shè)置為3 902 Hz，改變驅(qū)動電壓，使得聲壓由66 dB增加至90 dB, 每隔3 dB記錄示波器輸出波形變化，結(jié)果如圖5(a)所示，隨著聲壓的增大，輸出信號頻率不變，幅值逐漸增大。圖5(b)展示了傳感器輸出信號幅值與聲壓大小線性擬合曲線，傳感器輸出信號幅值與聲壓大小呈現(xiàn)很好的線性關(guān)系，線性擬合度為0.990 76，通過計算線性擬合曲線的斜率可知,本文設(shè)計的傳感器靈敏度高達549.8 mV/Pa。

圖5 不同聲壓下傳感器的響應(yīng)變化

改變信號發(fā)生器的頻率，使得喇叭發(fā)出的聲波頻率從50 Hz變到20 kHz，聲壓大小保持為75 dB不變，計算不同頻率下傳感器的響應(yīng)變化如圖6所示，傳感器在50 Hz～10 kHz內(nèi)響應(yīng)平坦，靈敏度約27 dB(re 1 mV/Pa)，靈敏度抖動小于±0.8 dB。傳感器響應(yīng)諧振頻率約為141 32 Hz，與理論仿真計算值14 484 Hz基本一致。

圖6 傳感器頻率響應(yīng)曲線

圖7為50，3 902，20 000 Hz頻率下，聲壓為85 dB時，傳感器輸出信號頻域圖。不同頻率下，傳感器都有很好的響應(yīng)，信噪比高達57 dB，最小可探測聲壓為28 dB @ 3902 Hz。低頻段的噪聲有所增加，一部分是由于環(huán)境噪聲引入的，另一部分是溫漂和光源不穩(wěn)噪聲導(dǎo)致的，可采用負反饋的方式調(diào)制光源輸出波長，降低低頻噪聲。

圖7 不同頻率聲波作用時，傳感器輸出頻域圖

3 結(jié) 論

本文提出了一種基于F-P干涉儀的高靈敏度聲波傳感器，通過光纖端面和PPS薄膜構(gòu)成F-P腔。復(fù)合薄膜感應(yīng)聲壓發(fā)生形變，周期性調(diào)制F-P的腔長，通過監(jiān)測F-P干涉儀輸出強度變化直接解調(diào)出聲波信號，靈敏度高達549.8 mV/Pa，50 Hz～10 kHz頻率范圍內(nèi)響應(yīng)平坦，此范圍內(nèi)靈敏度抖動小于±0.8 dB，信噪比高達57 dB，最小可探測聲壓為28 dB(re 20 μPa)。本文設(shè)計的光纖聲波傳感器可用于噪聲監(jiān)測、管道泄露檢測和火災(zāi)探測等領(lǐng)域。