實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：環(huán)形諧振腔的聲傳感測(cè)試

測(cè)試設(shè)備：高壓放大器、信號(hào)發(fā)生器、示波器、鎖定放大器、光電檢測(cè)器、相位調(diào)制器、頻譜分析儀等。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程：

圖1：(a)環(huán)形諧振腔的實(shí)驗(yàn)測(cè)試系統(tǒng)：PM，相位調(diào)制器；SG，信號(hào)發(fā)生器；PD，光電探測(cè)器；LIA，鎖定放大器；PI，鎖定頻率控制器；HVA，高壓放大器；OSC，示波器；SA，頻譜分析儀；PA，功率放大器。這里，藍(lán)線(xiàn)是光路，黑線(xiàn)是電路；(b)傳感器2的環(huán)形諧振腔的光譜線(xiàn)和頻率鎖定曲線(xiàn)；（c）傳感器2的解調(diào)信號(hào)在加入聲信號(hào)時(shí)的響應(yīng)

構(gòu)建了基于相位調(diào)制光譜技術(shù)的聲信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)，如圖1所示。聲信號(hào)的頻率響應(yīng)范圍被劃分為由揚(yáng)聲器產(chǎn)生的50Hz-20kHz和由壓電陶瓷產(chǎn)生的20kHz以上的頻率。由于聲源頻率限制，通過(guò)切換到壓電陶瓷來(lái)測(cè)試20kHz以上的超聲信號(hào)。在頻率響應(yīng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，SG的輸出幅度保持在10V，以保持聲源所產(chǎn)生聲壓的穩(wěn)定性。在40kHz下校準(zhǔn)了聚合物環(huán)形諧振腔]的性能，在40kHz、58kHz、200kHz和300kHz下測(cè)試了SOI微環(huán)形諧振腔產(chǎn)生的響應(yīng)頻率點(diǎn)，以表明頻率范圍。在此基礎(chǔ)上，我們減小了頻率間隔，在50Hz到100Hz的范圍內(nèi)，間隔縮小至10Hz。在100Hz到1kHz范圍內(nèi)的間隔為100Hz，1kHz到20kHz的范圍內(nèi)的間隔為1kHz。適當(dāng)?shù)卦黾映曨l率范圍以測(cè)試所設(shè)計(jì)的傳感器能夠響應(yīng)的頻率范圍。使用頻譜分析儀測(cè)試環(huán)形諧振腔的頻率響應(yīng)范圍：在某一頻率點(diǎn)采集聲信號(hào)響應(yīng)數(shù)據(jù)，直到聲信號(hào)的幅值無(wú)法與背景噪聲區(qū)分。測(cè)試結(jié)果如圖2所示。每個(gè)傳感器的平坦度均為2dB，最寬頻率范圍達(dá)到160kHz。當(dāng)Q值更高時(shí)，諧振腔性能更好，實(shí)現(xiàn)了更寬的頻率響應(yīng)。然而，在超聲頻率測(cè)量過(guò)程中，仍可以觀察到某些高頻響應(yīng)，振幅穩(wěn)定，但無(wú)法與背景噪聲信號(hào)區(qū)分。因此高頻率缺失而難以測(cè)試的原因可能是系統(tǒng)噪音大、電氣連接密集、信噪比太小導(dǎo)致，之后可以通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理模塊進(jìn)行后續(xù)的降噪處理。

圖2：傳感器的頻率響應(yīng)和平坦度。（a）揚(yáng)聲器的頻率響應(yīng)；（b）壓電陶瓷的頻率響應(yīng)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

圖3：聲傳感器靈敏度對(duì)比圖

信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生1kHz正弦信號(hào)并保持不變，經(jīng)功率放大器放大后，信號(hào)連接到聲源系統(tǒng)。通過(guò)控制SG的振幅，聲源輸出不同聲壓級(jí)的信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中，SG振幅以1V的步長(zhǎng)從1-10V依次遞增。分別記錄示波器上傳感器的電壓輸出和標(biāo)準(zhǔn)聲級(jí)計(jì)的聲壓值。如圖3所示，隨著聲源驅(qū)動(dòng)電壓的增加，聲壓級(jí)逐漸增強(qiáng)從而導(dǎo)致空氣折射率產(chǎn)生明顯變化，檢測(cè)電壓幅值升高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所有R2都大于0.97，線(xiàn)性度很好。此外，Q值更高，傳感器的輸出電壓將呈現(xiàn)大幅增長(zhǎng)的趨勢(shì)。因此，Q值為3.44*10的6次方的傳感器具有60.075mV/Pa的高靈敏度。電聲傳感器的靈敏度很高，但頻率響應(yīng)受膜片諧振特性的限制，基于膜片的光纖聲傳感器也與此相類(lèi)似。目前，盡管基于檢測(cè)聲壓引起的空氣折射率變化的環(huán)形諧振腔的傳感技術(shù)不如膜片式聲學(xué)傳感器靈敏度高，但其優(yōu)點(diǎn)在于線(xiàn)性響應(yīng)頻率良好，無(wú)頻率依賴(lài)性和機(jī)械共振頻率的影響。

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審核編輯 黃宇