李高林+古仕林+李翔+高天雨

摘 要：文中針對(duì)復(fù)雜環(huán)境干擾下的聲音采集、解調(diào)、還原等問(wèn)題，采用微光機(jī)電技術(shù)和MEMS技術(shù)，研制出一種基于F-P腔干涉光纖傳輸聲音信號(hào)的抗干擾微光機(jī)電麥克風(fēng)，可有效避免外界復(fù)雜環(huán)境的干擾，顯著提高其靈敏度和精密度。經(jīng)調(diào)研，該產(chǎn)品具有廣闊的發(fā)展前景和可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

關(guān)鍵詞：微光機(jī)電；MEMS；F-P腔

0 引 言

本作品針對(duì)復(fù)雜環(huán)境干擾下的聲音采集、解調(diào)、還原等問(wèn)題，采用微光機(jī)電技術(shù)和MEMS技術(shù)，研制出一種基于F-P腔干涉光纖傳輸聲音信號(hào)的抗干擾微光機(jī)電麥克風(fēng)。由于本作品基于F-P腔干涉，可將探測(cè)到的聲音信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)在光纖中傳導(dǎo)，有效避免外界復(fù)雜環(huán)境的干擾，體現(xiàn)了較好的抗干擾性。與傳統(tǒng)聲傳感器相比，該產(chǎn)品的靈敏度和精密度都顯著提高，可應(yīng)用于復(fù)雜環(huán)境干擾下聲音等信號(hào)的探測(cè)還原。

目前通用的各種電子通訊設(shè)備易受電磁干擾的影響，如話筒產(chǎn)生尖刺聲，核事故的范圍受到電磁干擾導(dǎo)致麥克風(fēng)等通訊設(shè)備無(wú)法使用。相比之下，本作品最大的優(yōu)點(diǎn)在于其優(yōu)良的抗干擾性能，可削弱背景噪聲，有效避免各種電磁和輻射干擾而不影響聲音的探測(cè)還原。還可以根據(jù)需要調(diào)節(jié)系統(tǒng)的靈敏度和放大倍數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)微小聲音等信號(hào)的探測(cè)，在日常生產(chǎn)生活中具有廣闊的應(yīng)用前景。該產(chǎn)品的實(shí)物如圖1所示。

1 工作原理

本作品基于F-P腔干涉原理。激光器工作發(fā)出的激光經(jīng)光纖耦合器連接傳感頭，連接傳感頭的激光經(jīng)端面發(fā)生全反射，反射激光經(jīng)耦合器傳到探測(cè)器。此時(shí)若有外界聲音等振動(dòng)信號(hào)引起傳感頭硅膜振動(dòng)，則會(huì)改變傳感頭內(nèi)的空氣腔長(zhǎng)度，使反射激光與入射激光符合發(fā)生干涉光條件，從而發(fā)生干涉，可將攜帶聲音信號(hào)的振動(dòng)信號(hào)加載攜帶聲音信號(hào)的光信號(hào)，再經(jīng)光纖和光纖耦合器傳輸?shù)胶蠖颂幚硐到y(tǒng)光電探測(cè)器模塊（遠(yuǎn)離或隔離干擾環(huán)境），后端處理系統(tǒng)解調(diào)還原光信號(hào)中的聲音信息，經(jīng)信號(hào)放大器放大后播放實(shí)現(xiàn)整個(gè)聲音信號(hào)的探測(cè)還原過(guò)程。系統(tǒng)基本原理如圖2所示。

本產(chǎn)品的核心部件傳感頭基于法布里-珀羅干涉腔多光束干涉的基本原理，利用其對(duì)一定頻率和強(qiáng)度的聲音信號(hào)都具有良好的響應(yīng)能力，設(shè)計(jì)制作復(fù)雜環(huán)境下探測(cè)聲音信號(hào)的抗干擾微光機(jī)電麥克風(fēng)。在傳感頭中，聲感應(yīng)膜制作采用微加工技術(shù)，封裝時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)硅膜和光纖準(zhǔn)直器空間位置的精確控制，使傳感頭對(duì)聲音信號(hào)具有良好的響應(yīng)還原能力，滿足抗干擾微光機(jī)電麥克風(fēng)設(shè)計(jì)的靈敏度和精密度要求。探測(cè)頭的設(shè)計(jì)原理如圖3所示。

2 創(chuàng)新點(diǎn)

本產(chǎn)品創(chuàng)造性地利用F-P干涉原理將振動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)，實(shí)現(xiàn)兩種信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，并充分利用其抗干擾耐高溫的特點(diǎn)，具有微型化、多功能、智能化和高集成度等優(yōu)點(diǎn)，適于大批量生產(chǎn)。與傳統(tǒng)聲傳感器相比，靈敏度和精密度都有顯著提高。

本產(chǎn)品具有抗干擾性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、環(huán)保無(wú)污染等特點(diǎn)，能廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合（多功能性）微小聲音信號(hào)（如音量極低的聲音信號(hào)和各種振動(dòng)信號(hào)等）的探測(cè)，并將探測(cè)到的信號(hào)在不受電磁等環(huán)境干擾的情況下傳輸?shù)胶蠖颂幚硐到y(tǒng)，將信號(hào)放大還原，如地震救援探測(cè)，地質(zhì)活動(dòng)監(jiān)測(cè)，海底救援微弱信號(hào)的探測(cè)等。其多功能性使得本產(chǎn)品不僅在實(shí)際生活中應(yīng)用廣泛，在軍事上亦有廣闊的應(yīng)用前景。本產(chǎn)品可用于各種復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下的穩(wěn)定通信，大量安裝于人煙稀少的邊境地區(qū)，用于邊境地區(qū)的安防，并監(jiān)測(cè)是否有敵機(jī)等武裝力量入侵等，以保衛(wèi)國(guó)家的領(lǐng)土安全和人民群眾的財(cái)產(chǎn)安全。

3 市場(chǎng)前景

本產(chǎn)品具有抗干擾性強(qiáng)、穩(wěn)定性高、環(huán)保無(wú)污染等特點(diǎn)，能廣泛應(yīng)用于各種場(chǎng)合（多功能性）微小振動(dòng)信號(hào)（如音量極低的聲音信號(hào)和各種振動(dòng)信號(hào)等）的探測(cè)，并可以廣泛應(yīng)用。其廣泛應(yīng)用的特點(diǎn)也激發(fā)了廣泛需求。我們?cè)诂F(xiàn)有基礎(chǔ)上綜合考慮成本及性能，盡量降低產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，使得產(chǎn)品更易于推向市場(chǎng)，并進(jìn)一步開發(fā)產(chǎn)品的新功能，更換不同探頭以實(shí)現(xiàn)陸、海、空環(huán)境下探測(cè)信號(hào)穩(wěn)定不失真。在不斷完善項(xiàng)目產(chǎn)品的同時(shí)做好宣傳，將一代、二代產(chǎn)品推向市場(chǎng)，收集用戶對(duì)產(chǎn)品性能和功能的意見(jiàn)、建議，及時(shí)改進(jìn)產(chǎn)品，提高用戶體驗(yàn)，形成完善的三代、四代產(chǎn)品。根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)，本產(chǎn)品有廣泛的市場(chǎng)需求，經(jīng)濟(jì)效益十分可觀。