實驗名稱：環(huán)形諧振腔的聲傳感測試

測試設(shè)備：高壓放大器、信號發(fā)生器、示波器、鎖定放大器、光電檢測器、相位調(diào)制器、頻譜分析儀等。

實驗過程：

圖1：(a)環(huán)形諧振腔的實驗測試系統(tǒng)：PM，相位調(diào)制器；SG，信號發(fā)生器；PD，光電探測器；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，藍線是光路，黑線是電路；(b)傳感器2的環(huán)形諧振腔的光譜線和頻率鎖定曲線；（c）傳感器2的解調(diào)信號在加入聲信號時的響應(yīng)

構(gòu)建了基于相位調(diào)制光譜技術(shù)的聲信號檢測系統(tǒng)，如圖1所示。聲信號的頻率響應(yīng)范圍被劃分為由揚聲器產(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，通過切換到壓電陶瓷來測試20kHz以上的超聲信號。在頻率響應(yīng)測試實驗中，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下測試了SOI微環(huán)形諧振腔產(chǎn)生的響應(yīng)頻率點，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率范圍以測試所設(shè)計的傳感器能夠響應(yīng)的頻率范圍。使用頻譜分析儀測試環(huán)形諧振腔的頻率響應(yīng)范圍：在某一頻率點采集聲信號響應(yīng)數(shù)據(jù)，直到聲信號的幅值無法與背景噪聲區(qū)分。測試結(jié)果如圖2所示。每個傳感器的平坦度均為2dB，最寬頻率范圍達到160kHz。當(dāng)Q值更高時，諧振腔性能更好，實現(xiàn)了更寬的頻率響應(yīng)。然而，在超聲頻率測量過程中，仍可以觀察到某些高頻響應(yīng)，振幅穩(wěn)定，但無法與背景噪聲信號區(qū)分。因此高頻率缺失而難以測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，之后可以通過數(shù)字信號處理模塊進行后續(xù)的降噪處理。

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

實驗結(jié)果：

圖3：聲傳感器靈敏度對比圖

信號發(fā)生器產(chǎn)生1kHz正弦信號并保持不變，經(jīng)功率放大器放大后，信號連接到聲源系統(tǒng)。通過控制SG的振幅，聲源輸出不同聲壓級的信號。實驗中，SG振幅以1V的步長從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)聲級計的聲壓值。如圖3所示，隨著聲源驅(qū)動電壓的增加，聲壓級逐漸增強從而導(dǎo)致空氣折射率產(chǎn)生明顯變化，檢測電壓幅值升高。實驗結(jié)果表明，所有R2都大于0.97，線性度很好。此外，Q值更高，傳感器的輸出電壓將呈現(xiàn)大幅增長的趨勢。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似。目前，盡管基于檢測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)點在于線性響應(yīng)頻率良好，無頻率依賴性和機械共振頻率的影響。

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審核編輯 黃宇