摘? 要：隨著光纖傳感技術(shù)的日趨成熟，人們的目光紛紛轉(zhuǎn)向光纖傳感器的研發(fā)。與電學(xué)傳感器一樣，光纖傳感器可以探測到許多不同類型的物理信息。其中用于探測空氣中聲波的被稱之為光纖麥克風(fēng)。文章介紹的是膜片式非本征型法布里-帕羅（F-P）干涉儀光纖麥克風(fēng)。該光纖麥克風(fēng)以光為傳播介質(zhì)，在傳輸過程中不受電磁和電源波動等外界因素的干擾，在很多惡劣環(huán)境下均可使用，并且制造成本低，可復(fù)用，具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：光纖麥克風(fēng);EFPI;紫外固化膜;反射光干涉

中圖分類號：TN641;TP212 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）24-0039-04

Preparation and Acoustic Characteristic Test of Diaphragm Type

Interferometer Microphone

FAN Qingshan

（The University of Sheffield，Sheffield? S10 2TN，UK）

Abstract：With the increasing maturity of optical fiber sensing technology，peoples eyes turn to the development of optical fiber sensors in succession. Like the electrical sensors，optical fiber sensors can detect many different types of physical information. The one that detects sound waves in the air is called a optical fiber microphone. What is introduced in the article is a diaphragm type extrinsic Fabry-Perot（F-P）interferometer optical fiber microphone. This optical fiber microphone uses light as the propagation medium，and will not be interfered by the external factors such as electromagnetic and power supply fluctuation during the transmission process. It can be used in many severe environments，and is low in production cost，can be reused，and has broad application prospects.

Keywords：optical fiber microphone;EFPI;UV cured film;reflected light interference

0? 引? 言

本文研究的是一種干涉式光纖麥克風(fēng)，具體類型為膜片式EFPI光纖麥克風(fēng)。膜片式FEPI光纖麥克風(fēng)的制作過程有兩個關(guān)鍵點：振動膜和光纖干涉解調(diào)系統(tǒng)。作為直接探測聲音信號的膜片，其本身必須具備很強的敏感性才能制作出優(yōu)良的光纖麥克風(fēng)。然而，膜片的敏感度除了取決于材料，還取決于其面積、厚度、楊氏模量大小等指標(biāo)[1]。近年來，科學(xué)家對膜片式EFPI光纖麥克風(fēng)的研究大多從膜片的角度出發(fā)。2016年，華中科技大學(xué)以Liu為主的研究人員采用紫外固化膠為纖麥克風(fēng)的敏感元件，該光纖麥克風(fēng)的電壓靈敏度為57.2 mV/Pa（1 kHz以下），信噪比為30 dB[2]。本文所論述的是光纖麥克風(fēng)單元的研制，其主要包含三個步驟：

（1）掌握干涉式光纖傳感器原理。

（2）研制干涉式光纖麥克風(fēng)核心元件。

（3）光纖麥克風(fēng)的封裝設(shè)計及制作。

具體的實驗過程為：

（1）文獻(xiàn)調(diào)研檢索，閱讀并翻譯有關(guān)光纖麥克風(fēng)和相位載波（Professionally-Generated Content，PGC）信號處理技術(shù)的文獻(xiàn)。

（2）制備出基于光纖干涉式傳感原理的聲敏感元件。

（3）使用聲敏感元件完成光纖麥克風(fēng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計和封裝。

（4）分析該光纖麥克風(fēng)的各類參數(shù)。

1? 實驗原理

1.1? F-P干涉儀原理

如圖1所示，F(xiàn)-P干涉儀本質(zhì)上是一個諧振腔，光波在里面反復(fù)反射，向外界提供光反饋，而F-P干涉儀則是由兩塊平行的平面玻璃板或石英板M和M組成[3]。實驗所用到的F-P干涉儀，其中的一塊板固定，另外一塊板可以移動，改變兩塊板之間的距離h后，干涉條紋將會有所變化[4]。

如圖2所示，兩個相鄰的反射光和透射光都存在相同的光程差，相位差表達(dá)式為：

（1）

其中，ΔL為光程差，h為平行平板厚度，λ0為光在真空中的折射率，θ為折射角，n為平行平板折射率[5]。

反射光束和透射光束之間會相互干涉，當(dāng)平行平板兩面的反射涂層有相同的反射率R時，干涉強度表示為：

（1）反射光干涉強度：

（2）

（2）透射光干涉強度：

（3）

Ii為入射光強，可得Ir+It=1。

平行平板的反射率會直接影響干涉條紋的精細(xì)度，而條紋精細(xì)度可以描述干涉條紋明銳程度。現(xiàn)設(shè)平行平板的反射率為R1、R2，干涉條紋精細(xì)度為F，計算條紋精細(xì)度可利用式（4）：

（4）

根據(jù)式（4）計算可得，當(dāng)反射率R1=R2=0.04、0.10、0.50、0.90時，條紋精細(xì)度分別為F=0.65、1.10、4.44、29.80。所以反射率越高，干涉條紋明銳程度越好，當(dāng)反射率很低時，多光束干涉變?yōu)殡p光束干涉[6]。

在光纖EFPI傳感器中，光線垂直入射到光纖端面，可列公式：

（5）

（6）

1.2? 膜片式EFPI光纖麥克風(fēng)

膜片式EFPI光纖麥克風(fēng)的關(guān)鍵器件EFPI如圖3所示。

當(dāng)光纖麥克風(fēng)沒有被施加外界聲波壓力時，光線1和光線2兩束光兩束反射光的光程差為ΔL=2nl，l為玻璃管的長度，n為空氣折射率。當(dāng)光纖麥克風(fēng)被施加外界聲波壓力時，紫外固化膜將產(chǎn)生形變，轉(zhuǎn)化為膜的振動幅值后影響這兩束反射光的光程差以及反射光強度，改變干涉條紋。

2? 實驗過程及實驗分析

2.1? 膜片式EFPI光纖麥克風(fēng)的制備

光纖麥克風(fēng)的關(guān)鍵器件EFPI的制備如圖4所示。

具體步驟為：

（1）折一段單模光纖，撥開兩端的保護層并用光纖切割機切割端面，再折一段玻璃管，用刀片剝開一端的保護層并用光纖切割機切割端面。

（2）將跳線一端的保護層撥開并用光纖切割機切割端面，將單模光纖一端與跳線焊接，將單模光纖另一端與玻璃管切割后的端面焊接。

（3）用光纖切割機將多余的玻璃管切除，使端面平整。用顯微鏡觀察單模光纖與玻璃管的接口，切割機刀片在指定長度處切割使表面平整，如圖5所示。長度有50 μm、100 μm和200 μm三種。

（4）這段玻璃管即為F-P腔。將切割后的玻璃管-光纖樣品放入光纖焊接機，接下來將另一段剝離保護層并切割了端面的單模光纖沾上紫外固化膠，固定在焊接機的另一端。利用焊接機觀察并移動光纖，等光纖與樣品觸碰并觀察到樣品端面沾上紫外固化膠后，迅速分開。

（5）迅速用紫外光照射十分鐘左右，以固定紫外固化膜。

最終制得的樣品如圖6所示。

2.2? 膜片式EFPI光纖麥克風(fēng)數(shù)據(jù)測量

2.2.1? 靜態(tài)實驗裝置測量

實驗前先測單獨的光纖耦合器的光譜儀對照圖。樣品和設(shè)備連接如圖7所示，用光纖焊接機將跳線與光纖耦合器一端焊接在一起，將光纖耦合器另一端的兩條線分別與光源和光譜儀相連。光源射出的光經(jīng)過光纖耦合器到達(dá)樣品，經(jīng)過光纖端面后一部分光反射，一部分光透射到F-P腔，再經(jīng)紫外固化膜反射回光纖，兩束反射光相干疊加到光譜儀上呈現(xiàn)波形曲線得到光譜圖，其中橫坐標(biāo)為波長，縱坐標(biāo)為衰減值。

再利用靜態(tài)實驗裝置檢測樣品靜態(tài)下隨外界壓力變化而引起的光譜圖的變化情況。如圖7所示，固定樣品，然后向燒杯中緩慢地加入水，此時光譜儀會持續(xù)檢測實時光譜。水面剛剛觸碰到紫外固化膜時，記錄下一系列數(shù)據(jù)并觀察光譜變化，然后持續(xù)加入水，觀察光譜圖變化，該實驗一共測量了六組數(shù)據(jù)。

2.2.2? 動態(tài)實驗裝置測量

如圖9所示，樣品連接光纖耦合器一端，光纖耦合器另外兩端分別與激光光源及光電探測器相連，光電探測器再連接到示波器。聲波發(fā)生器連接一個喇叭，將喇叭和樣品都固定后，喇叭發(fā)聲口對準(zhǔn)紫外固化膜一端。此實驗需要在十分安靜的環(huán)境中進行，以免雜音影響實驗精準(zhǔn)度。

動態(tài)實驗中觀察了改變兩個不同變量導(dǎo)致示波器波形變化的情況，一個是控制聲波頻率不變，逐漸增大電壓;另一個是控制電壓不變，逐漸增大聲波頻率。其間觀察示波器波形的變化及規(guī)律。

2.3? 實驗結(jié)果及分析

2.3.1? 靜態(tài)光譜圖

光源的光入射到光纖端面和紫外固化膜上時，經(jīng)過反射會有一定量的衰減，將反射光干涉接到光譜儀上可以觀察到這個衰減值（即為初始光源光強減去衰減后的反射光光強）。管溝一顯示如圖10所示。

光譜圖的衰減幅值差越大，說明樣品性能越優(yōu)異。經(jīng)測量，在50 μm F-P腔的樣品、100 μm F-P腔的樣品和200 μm F-P腔的樣品中，100 μm F-P腔的樣品幅值差超過了10 db，所以以此樣品作為實驗最終樣品。

然后測量在傳感器受外界壓力變化而引起相應(yīng)變化的樣品衰減幅值差。共有6組測量數(shù)據(jù)，分別是剛觸碰到水面、浸入水面10 mm、浸入水面15 mm、浸入水面20 mm、浸入水面30 mm和浸入水面40 mm。通過測量可以得出結(jié)論，浸入水中距離越大，衰減幅值差越小。

2.3.2? 動態(tài)實驗結(jié)果及分析

2.3.2.1? 在頻率不變的情況下改變電壓

在常溫常壓下，將信號發(fā)生器的頻率固定在200 Hz，通過調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的輸出電壓，實現(xiàn)不同驅(qū)動電壓下輸出不同聲強（即聲波壓力）的目的。示波器檢測如圖11所示。

聲波信號發(fā)生器向揚聲器發(fā)出電壓信號，揚聲器接收電壓信號后激勵膜片振動產(chǎn)生聲音信號。產(chǎn)生的聲音信號由F-P傳感器接收，并經(jīng)過光電探測器轉(zhuǎn)換成電壓信號，電壓信號再通過信號發(fā)生器實時顯示到示波器顯示界面上。通過外接數(shù)據(jù)采集卡和上位機實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)采集和分析。

聲波信號發(fā)生器發(fā)出的電壓信號將控制揚聲器發(fā)出不同強度的聲音信號。揚聲器的輸入電壓隨著信號發(fā)生器驅(qū)動電壓的增大而提高，揚聲器發(fā)出的聲波強度也隨之不斷增強。同時，F(xiàn)-P傳感器還會探測聲波壓力信號。端面膜片接收聲波壓力信號后發(fā)生形變，從而導(dǎo)致F-P腔的腔長發(fā)生變化，腔長變化導(dǎo)致從光纖端面和紫外固化膜內(nèi)層反射回來的兩束光的光程差發(fā)生變化。光程差變化進一步導(dǎo)致了反射回來的信號光強發(fā)生變化，反射光譜發(fā)生漂移，這種變化經(jīng)過光電探測器后變?yōu)殡妷盒盘柕淖兓从车绞静ㄆ魃稀?/p>

隨著聲波強度的增大，傳感器得到的電壓信號不斷增大，同時，整體噪聲水平也有一定程度的提高。

2.3.2.2? 在電壓不變的情況下改變頻率

將聲波信號發(fā)生器輸出電壓設(shè)為20 V，測試不同頻率處由麥克風(fēng)傳出的信號值。分別測試了100 Hz，200 Hz，300 Hz，400 Hz，500 Hz，600 Hz，800 Hz，1 000 Hz等頻率處的時域響應(yīng)。從中可以看出，麥克風(fēng)對不同頻率的聲波響應(yīng)靈敏度是不同的，觀察到在頻率為200 Hz附近時，其響應(yīng)達(dá)到了一個極大值，為5.56 mV，即所獲得靈敏度為223 mV/V。此時的頻率成為自振頻率，在這個頻率下，膜片接收到壓力時變形最大。這對于膜片式EFPI光纖麥克風(fēng)的研制具有重大意義，因為膜片受到的壓力過大時，可能會造成靈敏度變小甚至膜片破裂的現(xiàn)象。

3? 結(jié)? 論

本文詳細(xì)介紹了膜片式EFPI光纖麥克風(fēng)的工作機理，包括F-P干涉儀的工作原理、膜片形變原理、解調(diào)方法等。實驗過程中，嘗試選用F-P腔長不同的三種樣品并觀察這三種樣品的光譜圖，選取一個衰減幅值相差最大的樣品作為實驗最終樣品，并采取動態(tài)實驗法，用聲波信號發(fā)生器等裝置獲得響應(yīng)電壓和聲音信號的關(guān)系，還得到了該樣品靈敏度最高時的頻率值。

參考文獻(xiàn)：

[1] LIMA S E U，F(xiàn)RAZAO O，ARAUJO F M，et al. Fibre Fabry-Perot sensor for acoustic detection [C]//19th International Conference on Optical Fibre Sensors.Perth，International Society for Optics and Photonics，2008.

[2] 高椿明，聶峰，張萍，等.光纖聲傳感器綜述 [J].光電工程，2018，45（9）：116-125.

[3] 程進，馮杰，趙龍江，等.FP干涉儀式光纖傳聲器數(shù)學(xué)模型 [J].電聲技術(shù)，2013，37（12）：31-34.

[4] 李高林，古仕林，李翔，等.抗干擾微光機電麥克風(fēng) [J].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2017，7（3）：10-11.

[5] 劉加萍.新型非本征光纖琺珀傳感器的傳感特性研究 [D].馬鞍山：安徽工業(yè)大學(xué)，2018.

[6] 孫浩.基于相位調(diào)制的干涉型光纖傳感器研究 [D].西安：西北大學(xué)，2016.

作者簡介：范青山（1998.02—），女，漢族，廣東樂昌人，碩士研究生在讀，研究方向：半導(dǎo)體器件。