[發(fā)明專利]一種雙膜片復(fù)合式光學(xué)麥克風(fēng)

在審

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• 申請日: 2022-09-07
• 公開（公告）號: CN115643518A
• 公開（公告）日: 2023-01-24
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王廷云;張小貝;魏鶴鳴;黃懌;張琦;鄧傳魯;吳彰理
• 申請（專利權(quán)）人: 上海大學(xué)
• 主分類號: H04R23/00
• 分類號: H04R23/00
• 代理公司: 蘇州市中南偉業(yè)知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙) 32257
• 代理人: 李柏柏

本發(fā)明涉及一種雙膜片復(fù)合式光學(xué)麥克風(fēng)，包括封裝套管、反射膜片、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和單模光纖，封裝套管的一端開口，封裝套管的內(nèi)部具有一橫向延伸的空腔，空腔于封裝套管的另一端設(shè)置有一通孔；反射膜片設(shè)置于封裝套管的開口端；波導(dǎo)結(jié)構(gòu)容置于封裝套管的空腔內(nèi)，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)連接所述反射膜片；單模光纖通過通孔容置于封裝套管的空腔內(nèi)，且單模光纖的一端連接波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。本發(fā)明采用單模光纖、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和反射膜片構(gòu)成雙膜結(jié)構(gòu)，在有聲壓作用時，反射膜片與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)同時形變且波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的折射率發(fā)生改變，以提高傳感器聲壓靈敏度和頻率響應(yīng)范圍。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光學(xué)聲探測技術(shù)領(lǐng)域，尤其是指一種雙膜片復(fù)合式光學(xué)麥克風(fēng)。

背景技術(shù)

麥克風(fēng)、水聽器等聲學(xué)探測器是重要的信息獲取工具，其廣泛應(yīng)用于語音通信、環(huán)境噪聲監(jiān)測、航空和水下航行器的檢測與跟蹤、軸承故障診斷、風(fēng)力渦輪機測量、油氣管道泄漏監(jiān)測、光聲光譜等眾多領(lǐng)域。目前最常見的聲學(xué)探測器是駐極體電容麥克風(fēng)，其在市場上較為普遍。但傳統(tǒng)駐極體電容麥克風(fēng)靈敏度低，抗電磁干擾能力弱，金屬膜片在空氣中容易緩慢腐蝕，因此對駐極體電容麥克風(fēng)的應(yīng)用造成了一定的限制。而光纖聲傳感器(Fiberoptical acoustic sensor,FOAS)具有不受電磁干擾、傳輸損耗低、適應(yīng)惡劣環(huán)境等優(yōu)點，已成為電聲傳感器的理想替代品。

FOAS的常見結(jié)構(gòu)有邁克爾遜干涉儀(Michelson interferometer,MI)、馬赫-曾德爾干涉儀(Mach–Zehnder interferometer,MZI)和法布里-珀羅(Fabry–Pérot,FP)干涉儀。與基于MI和MZI結(jié)構(gòu)的傳感器相比，采用FP干涉結(jié)構(gòu)的FOAS具有更緊湊的傳感結(jié)構(gòu)和更高的靈敏度，能有效探測到微弱的聲音信號。

一般基于光纖端FP型超聲傳感器結(jié)構(gòu)利用單模光纖熔接一段毛細玻璃管或空心光纖，在毛細玻璃管或空心光纖端面制備反射薄膜形成FP諧振腔體，當(dāng)超聲波聲壓作用于薄膜時，薄膜將會隨著聲壓發(fā)生振動，F(xiàn)P腔體的長度隨聲波頻率變化，通過解調(diào)出反射光強恢復(fù)出相應(yīng)聲波信息。由于FP型干涉儀在聲學(xué)探測領(lǐng)域的優(yōu)異性能，不同結(jié)構(gòu)的FP光學(xué)麥克風(fēng)受到廣泛關(guān)注。例如，2017年Wu等人研制了基于氧化石墨烯膜的高靈敏度光纖麥克風(fēng)，在100Hz～20kHz范圍內(nèi)保持線性聲壓響應(yīng)和平坦的頻率響應(yīng)；2018年Liu等人設(shè)計了一種基于波紋銀膜片的FP型麥克風(fēng)，壓力靈敏度達到52nm/Pa,最小可探測應(yīng)力為86.97μPa/Hz^1/2；同年，Chen等人設(shè)計了膜片集成懸臂梁結(jié)構(gòu)的光學(xué)麥克風(fēng)，壓力靈敏度可達211.2nm/Pa，最小可檢測壓力為5μPa/Hz^1/2；2022年Wu等人設(shè)計了一種基于輪胎形玻璃膜片結(jié)構(gòu)的FP型麥克風(fēng)，這種結(jié)構(gòu)可以有效減少空氣阻尼，提高靈敏度，其壓力靈敏度為755mV/Pa@500Hz,最小可探測壓力為251μPa/Hz1/2。

上述各種結(jié)構(gòu)均通過改變不同的膜片結(jié)構(gòu)與材料來完成聲波探測，雖使用金屬、聚合物、石墨烯等薄膜制備反射膜能夠有效減小膜片厚度，但制備工藝較為復(fù)雜，穩(wěn)定性差、成本較高，并且結(jié)構(gòu)僅通過改變腔長度來改變干涉光譜的相位信息，聲壓靈敏度無法進一步提高。

因此，迫切需要提出一種雙膜片復(fù)合式光學(xué)麥克風(fēng)來解決上述存在的麥克風(fēng)響應(yīng)頻率低、靈敏度差和頻率帶寬窄的問題。

發(fā)明內(nèi)容

為此，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提出一種雙膜片復(fù)合式光學(xué)麥克風(fēng)，其采用單模光纖、波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和反射膜片構(gòu)成雙膜結(jié)構(gòu)，在有聲壓作用時，反射膜片與波導(dǎo)結(jié)構(gòu)同時形變且波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的折射率發(fā)生改變，以提高傳感器聲壓靈敏度和頻率響應(yīng)范圍。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種雙膜片復(fù)合式光學(xué)麥克風(fēng)，包括：

封裝套管，其一端開口，所述封裝套管的內(nèi)部具有一橫向延伸的空腔，所述空腔于所述封裝套管的另一端設(shè)置有一通孔；

反射膜片，其設(shè)置于所述封裝套管的開口端；