刘 理，徐 来，毛莉莉，劳泽锋，曾 伟

(1.华中科技大学 光学与电子信息学院，湖北 武汉 430074；2.江苏永鼎股份有限公司，江苏 苏州 215211；3.九江学院 电子信息工程学院，江西 九江 332005)

0 引 言

声波是由物体振动在弹性介质中传播形成的, 包含丰富的目标特征信息，因此,可以通过“听音号脉”的方式检测一些特定的目标信息。声波检测已经被广泛地用于自然灾害预警[1,2]、噪声监测[3]、无损检测[4]和超声成像[5]等诸多领域。电子式声波传感技术相对成熟，因具有高灵敏度、高信噪比、宽频带、工作性能可靠等特点而被广泛应用，但是电子式低频声波传感器也出现了很多问题。首先，比较突出的问题包括电缆负载、连接电缆的共振效应、低频噪音大，稳定性、可靠性较差，不易组网应用等；其次，信号易受外界复杂环境电磁干扰；另外，压电传感器灵敏度低，无法感应微弱声波信号，不能远距离大容量传输；电容性传感器线性响应度差、容易出现温漂、低频测量阻抗匹配难度大等问题[6]。这些问题从本质上都是由压电、电容器件本身电气特性所决定的。

光纤声波传感技术结合光纤直径小、质量轻、耐高温、抗腐蚀、强抗电磁干扰、传输信号损耗小、集传感与传输一体的特性来解决常规电子式声波传感器难以完全胜任的测量问题。近年来，基于光纤干涉仪的声波传感技术得到了飞速的发展，相关技术也越来越完善。基于迈克尔逊干涉仪和马赫—曾德尔干涉仪的声波传感器，通常是将干涉仪的一个干涉臂作为参考臂，一个干涉臂缠绕在传感膜片上作为传感臂，采用相位生成载波或者3×3耦合器解调算法进行相位解调，这类型声波传感器相位灵敏度非常高，但温漂明显、尺寸大、偏振噪声高、解调系统复杂[7～9]。基于塞格纳克(Sagnac)干涉仪的声波传感器是利用声波扰动光纤环，致使顺时针和逆时针光路产生相位差，需要较长的时延线，而且环路光纤要缠绕在增敏柱体上提高灵敏度，因此体积较大，并且频率响应不平坦[10～12]。基于法布里—珀罗(Fabry-Perot，F-P)干涉仪的声波传感器通常是利用传感膜片和光纤端面构成F-P腔，通过膜片形变调制F-P腔长，因具有响应频带宽、体积小、解调系统简单等优点而备受研究者青睐。不同种类的传感薄膜，如紫外胶薄膜[13]、金膜[14,15]、银膜[16]、硅膜[17]、石墨烯薄膜[18]、糖基薄膜[19]和聚合物薄膜[20]等，已被用于构建F-P干涉型声波探测器，但这些薄膜的制作工艺比较复杂，灵敏度还有待提高。

本文采用制作工艺十分成熟的镀镍聚苯硫醚(polyphenylene sulfide，PPS)薄膜构建F-P干涉仪用于高灵敏度声波探测，通过优化薄膜尺寸，实现了50 Hz～20 kHz频率范围内的声波探测，灵敏度高达549.8 mV/Pa，信噪比达57 dB，最小可探测声压为28 dB。

1 传感器设计与基本原理

本文设计的声波传感器如图1所示，由陶瓷插芯、单模光纤、铝制套管、防尘网、铝制外壳、复合薄膜和铜环等部件按图示结构组成。防尘网起到保护传感膜片的作用；外壳和套管是整个传感器的支撑件，套管上有微小的气孔用于平衡内外气压；陶瓷插芯用于固定单模光纤；铜环用于固定传感薄膜。单模光纤端面和复合薄膜的端面构成F-P腔，当复合薄膜感应到声波时，会发生形变从而调制F-P腔长，弱反F-P干涉输出为

图1 传感器结构示意

(1)

式中A为直流分量，B为F-P干涉仪的调制幅度，λ为输入激光波长，n为空气折射率，l0为F-P腔初始腔长，s为复合薄膜声压响应灵敏度，p和ω为作用在复合薄膜上声压的大小和角频率。通过调节激光器的波长使得干涉仪的初始相位为

(2)

如果4πnsp/λ≪1，F-P干涉输出可近似表示为

(3)

因此，可以通过直接检测干涉仪输出强度变化即可实现声信号解调。

因为PPS薄膜具有机械强度高、耐高温、耐化学腐蚀、难燃、热稳定性好等优点，本文采用2 μm厚PPS薄膜作为声学感应薄膜。对PPS薄膜边缘施加一定的预应力，通过胶水使其平整的固定在铜环上。为了增加PPS薄膜的反射率，采用磁控溅射的方法在其表面镀上一层约100 nm厚的镍膜，形成金属—聚合物复合型薄膜，其优点在于：不用严格保证光纤垂直于薄膜，便于传感器的制作；提高F-P干涉条纹对比度，增加传感器的灵敏度。本文制作的传感器典型干涉谱如图2所示，F-P腔长约160 μm，干涉条纹消光比可达12 dB, 可保证传感器高灵敏度输出。

图2 F-P干涉谱

本文通过PPS薄膜实现高效声光换能，薄膜的一阶谐振频率为

(4)

式中h和ρ分别为薄膜的厚度和密度，r为薄膜的半径，T为薄膜边缘受到的预应力。当作用在薄膜上的声波频率远小于薄膜一阶谐振频率时，薄膜中心位置发生的形变量为

(5)

结合等式(4)和式(5)可知，薄膜半径越小，灵敏度越高，但谐振频率越低，工作频率范围越窄；薄膜边缘所受的预应力越大，灵敏度越低，但谐振频率越高，工作频率越宽。为了保证设计的传感器既具有高的灵敏度和宽的频率工作范围，复合薄膜的有效工作半径设置为2.3 mm；粘贴薄膜时，薄膜边缘施加的预应力设置为20 N/m。本文通过COMSOL软件对薄膜声学特性进行模拟仿真，PPS薄膜的杨氏模量、泊松比和密度分别为3.8 GPa，0.1和1.32 g/cm3，铜环的内、外直径分别为4.6 mm和6 mm，1 Pa压力下，传感膜片中心位置的形变量为66.112 5 nm，如图3(a)所示，计算出传感膜片声压灵敏度为66.112 5 nm/Pa，与式(5)计算结果基本一致。同时对传感薄膜的模态进行了计算，一阶特征模态响应如图3(b)所示，一阶谐振频率为14 484 Hz，计算结果和式(4)计算结果一致。

图3 膜片声学性能仿真

2 实验结果与讨论

本文采用图4所示方案，测试传感器的性能，光源采用Alnair Labs TLG—200 窄线宽可调谐激光器作为光源，工作波长设置为1 544.5，使得干涉仪初始相位为(π/2+2πm)，功率为10 dBm。激光器发出的光通过环形器入射至传感器，然后通过Newport 1623光电探头接收反射光，将光信号转换为电信号，最后通过OWON EDS102E示波器检测时域波形变化。通过信号发生器和功率放大器驱动喇叭发出特定频率的声波信号，利用标准声级计标定声压大小。

图4 传感器性能测试方案

将信号发生器的频率设置为3 902 Hz，改变驱动电压，使得声压由66 dB增加至90 dB, 每隔3 dB记录示波器输出波形变化，结果如图5(a)所示，随着声压的增大，输出信号频率不变，幅值逐渐增大。图5(b)展示了传感器输出信号幅值与声压大小线性拟合曲线，传感器输出信号幅值与声压大小呈现很好的线性关系，线性拟合度为0.990 76，通过计算线性拟合曲线的斜率可知,本文设计的传感器灵敏度高达549.8 mV/Pa。

图5 不同声压下传感器的响应变化

改变信号发生器的频率，使得喇叭发出的声波频率从50 Hz变到20 kHz，声压大小保持为75 dB不变，计算不同频率下传感器的响应变化如图6所示，传感器在50 Hz～10 kHz内响应平坦，灵敏度约27 dB(re 1 mV/Pa)，灵敏度抖动小于±0.8 dB。传感器响应谐振频率约为141 32 Hz，与理论仿真计算值14 484 Hz基本一致。

图6 传感器频率响应曲线

图7为50，3 902，20 000 Hz频率下，声压为85 dB时，传感器输出信号频域图。不同频率下，传感器都有很好的响应，信噪比高达57 dB，最小可探测声压为28 dB @ 3902 Hz。低频段的噪声有所增加，一部分是由于环境噪声引入的，另一部分是温漂和光源不稳噪声导致的，可采用负反馈的方式调制光源输出波长，降低低频噪声。

图7 不同频率声波作用时，传感器输出频域图

3 结 论

本文提出了一种基于F-P干涉仪的高灵敏度声波传感器，通过光纤端面和PPS薄膜构成F-P腔。复合薄膜感应声压发生形变，周期性调制F-P的腔长，通过监测F-P干涉仪输出强度变化直接解调出声波信号，灵敏度高达549.8 mV/Pa，50 Hz～10 kHz频率范围内响应平坦，此范围内灵敏度抖动小于±0.8 dB，信噪比高达57 dB，最小可探测声压为28 dB(re 20 μPa)。本文设计的光纤声波传感器可用于噪声监测、管道泄露检测和火灾探测等领域。