專利名稱：基于多模干涉的聲光轉(zhuǎn)換方法及光學麥克風的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聲光轉(zhuǎn)換、聲振動的光學檢測方法及麥克風，具體講涉及基于多模干
涉的聲光轉(zhuǎn)換方法及光學麥克風。
背景技術(shù)：
麥克風作為一種最常見的聲音信號采集工具在國民生產(chǎn)生活的各個方面有著廣
泛的應(yīng)用。最早的麥克風主要用在電話上進行遠距離的通信。從1962年麥克風發(fā)明至今，
經(jīng)過近五十年的發(fā)展，傳統(tǒng)電學麥克風的技術(shù)已經(jīng)日趨完善和成熟，各種各樣不同用途的
產(chǎn)品不斷問世。隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，麥克風已經(jīng)不再僅僅應(yīng)用于遠距離的通話，在語
音記錄，聲級振動測量和環(huán)境噪聲級測量等領(lǐng)域發(fā)揮著越來越大的作用。 傳統(tǒng)型麥克風是基于聲波振動到電學信號的轉(zhuǎn)換，再通過有線或者無線的方式進
行傳輸。這種麥克風存在著一定的局限性和潛在的應(yīng)用隱患，如面臨著易受干擾、易引入噪
聲、保密性差等問題。此外，在一些復(fù)雜的環(huán)境下，如核磁共振儀的強磁場和水下等環(huán)境，傳
統(tǒng)電學麥克風無法使用。為解決上述問題，光學麥克風應(yīng)運而生。 光學麥克風是指應(yīng)用光學方法將聲音的振動信號先轉(zhuǎn)換為光信號進行傳輸，在接 受端再將光信號還原為聲音信號。與傳統(tǒng)的電學麥克風相比，光學麥克風有以下的明顯優(yōu) 勢第一，不受電磁環(huán)境的影響。由于直接將聲音振動轉(zhuǎn)換為光信號，通過光纖傳輸?shù)浇邮?端，因此可以工作在各種復(fù)雜的電磁環(huán)境中。第二，前端無源。可以長時間工作在獨立環(huán)境 中，無需人工補給，可靠性，穩(wěn)定性高。第三，保密性好。由于光信號本身所具有的特點，信 號在傳輸過程中不易被竊取，能夠很好的適應(yīng)國防應(yīng)用的需要。 基于光纖傳感器的光學麥克風不僅具有良好的抗電磁干擾特性、穩(wěn)定性以及保密 性，而且體積小，結(jié)構(gòu)簡單，安全可靠，成為光學麥克風領(lǐng)域的研究熱門。其實現(xiàn)光聲轉(zhuǎn)換的 核心思想是將聲波振動所產(chǎn)生的聲壓作用于光纖傳感器，從而引起光纖中光信號強度、相 位等參數(shù)的變化。按照調(diào)制方式的不同，光纖型光學麥克風可分為強度調(diào)制型、相位調(diào)制型 和波長調(diào)制型。

發(fā)明內(nèi)容
為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提出一種制作成本低廉，靈敏度高，具 有商業(yè)化的潛在可能并易于實現(xiàn)批量化生產(chǎn)的基于多模干涉的光學麥克風及其振動檢測 方法。 為達到上述目的本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，基于多模干涉的聲光轉(zhuǎn)換方法，包括 下列步驟使寬帶光源通過可調(diào)諧濾波器輸出窄帶光；使所述的窄帶光通過黏貼在振膜上 的多模干涉光纖傳感器，當振膜感受聲波信號發(fā)生振動時，將使附著于其上的多模光纖傳 感器發(fā)生形變，從而引起出射光的變化，實現(xiàn)聲波振動到光信號的轉(zhuǎn)化；使所述光信號經(jīng)過 光電轉(zhuǎn)換后進行濾波放大處理，驅(qū)動揚聲器發(fā)聲，還原聲音信號。 所述使所述的窄帶光通過黏貼在振膜上的多模干涉光纖傳感器進一步細化為，使窄帶光的中心波長固定在多模干涉?zhèn)鞲衅魍干涔庾V斜率最大處。 基于多模干涉的光學麥克風，包括寬帶光源輸出到可調(diào)諧濾波器，可調(diào)諧濾波器 輸出到黏貼在振膜上的多模干涉光纖傳感器，多模干涉光纖傳感器輸出到用于對光信號進 行光電轉(zhuǎn)換的光電二極管，光電二極管輸出的電信號經(jīng)濾波放大驅(qū)動揚聲器。
本發(fā)明可帶來以下技術(shù)效果 本發(fā)明采用基于多模干涉原理的新型聲波振動測量方法和聲光轉(zhuǎn)換方法，實現(xiàn)以 光信號作為載體的光學麥克風，不僅結(jié)構(gòu)簡單，制作方便而且成本低廉，為光學麥克風的商 業(yè)化和批量化生產(chǎn)提供潛在可能。本發(fā)明采用光波傳感聲音信號，可以解決傳統(tǒng)麥克風易 受干擾、保密性差以及在復(fù)雜環(huán)境下無法使用的問題。


圖1多模干涉光纖傳感器結(jié)構(gòu)。
圖2多模干涉光纖傳感器透射光譜。 圖3本發(fā)明中多模干涉光纖傳感器、可調(diào)諧濾波器的透射光譜，圖中(a)軸向受 力的多模干涉光纖傳感器透射光譜，(b)可調(diào)諧濾波器的透射光譜。
圖4基于多模干涉的光學麥克風系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。
圖5本發(fā)明采用的濾波放大電路結(jié)構(gòu)圖。
具體實施例方式
本發(fā)明提供一種將聲波信號轉(zhuǎn)換為光信號進行傳輸?shù)穆暡ㄐ盘杺鞲邢到y(tǒng)。其中聲 光轉(zhuǎn)換方法是傳感系統(tǒng)的關(guān)鍵，即將聲波的震動轉(zhuǎn)換成為光波幅度、相位、頻率以及波長等 參數(shù)的變化的方法。本發(fā)明是采用基于多模干涉(匪I)原理的傳感器，通過振膜傳動，將聲 波振動轉(zhuǎn)換到光波波長的變化中去，可實現(xiàn)聲波信號的抗干擾和高保密性傳輸。該聲波振 動檢測方法也可廣泛應(yīng)用于其他振動檢測領(lǐng)域。 本發(fā)明采用可調(diào)諧窄帶光作為光源和解調(diào)裝置；采用多模干涉光纖傳感器和振膜 組合來檢測聲波振動。將多模干涉光纖傳感器黏貼與振膜上，當振膜感受聲波信號發(fā)生振 動時，將使附著于其上的多模光纖傳感器發(fā)生形變，從而引起出射光的變化，實現(xiàn)了聲波振 動到光信號的轉(zhuǎn)化。光信號經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換以及濾波放大等處理，即可驅(qū)動揚聲器發(fā)聲，還原
聲音信號。 l聲波振動檢測裝置 聲光轉(zhuǎn)換的核心是基于多模干涉的光纖傳感器。多模干涉光纖傳感器通過在兩段 單模光纖(SMF)之間無偏心對接一段多模光纖(SMF)制成，如圖l所示，類似于三明治結(jié) 構(gòu)。 基于多模干涉原理的光纖傳感器，大多是應(yīng)用SMS結(jié)構(gòu)，即將一段多模光纖的兩 端分別熔接兩段單模光纖，作為輸入端和輸出端。結(jié)構(gòu)如圖l所示。這樣，當入射光由單模 光纖耦合進多模光纖時，會激發(fā)起一系列高階模式，高階模繼續(xù)在多模光纖中傳播，發(fā)生干 涉現(xiàn)象，產(chǎn)生能量之間的重新分布。而當匪F的長度和入射波長滿足一定條件時，可能會發(fā) 生自映像效應(yīng)，即入射光自身的再現(xiàn)(包括振幅和相位)。此即多模干涉和自映像效應(yīng)。
由于多模干涉效應(yīng)，在光纖結(jié)構(gòu)和參數(shù)一定的前提下，光纖中不同的傳輸位置上所對應(yīng)的能量分布是不同的，而同一位置上，由于入射條件的不同(如入射光的波長不 同)，其能量分布也是不同的，波長與能量大小存在一一對應(yīng)的關(guān)系。匪F長度為3. 58cm的 多模干涉光纖傳感器的輸出光譜如圖2所示。 而當外界環(huán)境條件發(fā)生變化時，由于條件的變化，會引起構(gòu)成光纖傳感器的波導(dǎo) 結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，如折射率的變化以及光纖長度和光纖半徑的變化。此時，光纖內(nèi)部傳輸?shù)亩?模干涉光場就會隨之發(fā)生變化，使得整個多模干涉光纖傳感器能量的透射譜改變，透射譜 的極值發(fā)生相應(yīng)的移動。例如，給多模干涉光纖傳感器施加一定的軸向應(yīng)力，傳感器的透射 光譜的極值就會發(fā)生改變，如圖3所示。對比圖2可以看出，多模干涉光纖傳感器透射光譜 的極值由1559. 8nm移動至1554. lnm。 因此，如果將聲波振動作用多模干涉光纖傳感器上，引起傳感器軸向應(yīng)力的改變， 就能使得傳感器輸出光譜的極值發(fā)生改變，從而將聲波振動轉(zhuǎn)變?yōu)橥干涔鈽O值波長的變 化。該方法也可將其他類型的振動轉(zhuǎn)換為多模干涉光纖傳感器透射光極值波長的變化。
2解調(diào)方法 若將可調(diào)諧窄帶光作為光源，將其中心波長固定在多模干涉?zhèn)鞲衅魍干涔庾V斜率 最大處，則傳感器透射光譜發(fā)生改變會引起出射光的強度發(fā)生改變。寬帶光源和可調(diào)諧濾 波器相結(jié)合可構(gòu)成可調(diào)諧窄帶光源，調(diào)節(jié)可調(diào)諧濾波器的透射中心波長至多模干涉光纖傳 感器透射譜斜率最大處即可，如圖3所示。 基于多模干涉的光學麥克風系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，寬帶光源(BBS)和可調(diào)諧濾波 器(Tunable filter)組合構(gòu)成可調(diào)諧窄帶光源作為系統(tǒng)的輸入光源。與振膜相附著的多 模干涉光纖傳感器作為聲光轉(zhuǎn)換部分。光源發(fā)出的光進入傳感器，如前1部分所述，光經(jīng)過 聲波的調(diào)制發(fā)生強度變化，光電二極管(Photodiode)對光信號進行光電轉(zhuǎn)換，在經(jīng)過適當 的濾波和放大即可驅(qū)動揚聲器發(fā)聲，還原聲音信號。采用的濾波放大電路結(jié)構(gòu)如圖5所示， 其中所采用的運放型號為NE5532。光電二極管輸出的信號，經(jīng)過由NE5532構(gòu)成的反相比例 放大器后輸出到揚聲器。 本發(fā)明采用多模干涉的方法將聲音信號轉(zhuǎn)化為光信號進行傳輸，保密性好，并能 有效地抵抗電磁波所帶來的干擾。該發(fā)明采用多模干涉光纖傳感器作為核心聲光轉(zhuǎn)換元 件，靈敏度高，結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，成本低廉，具有商業(yè)化的潛在可能并易于實現(xiàn)批量化生 產(chǎn)。此外，該發(fā)明所采用的聲波振動檢測方法，可廣泛應(yīng)用于其他振動檢測領(lǐng)域。
本發(fā)明是基于多模干涉光纖傳感器的光學麥克風，有別于傳統(tǒng)電學麥克風的工作 方式，將聲波振動轉(zhuǎn)化為光信號，可以有效地免疫電磁波和復(fù)雜磁場的干擾，能應(yīng)用于核磁 共振的環(huán)境和反監(jiān)聽的場合。此外，該發(fā)明探頭部分采用振膜和光纖傳感器相結(jié)合，由于前 端無源，因此在水下亦可穩(wěn)定工作，可作為水聽器使用。該發(fā)明所采用的聲波振動檢測方 法，亦可廣泛應(yīng)用于其他振動檢測領(lǐng)域。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，成本低廉，具有可觀的 經(jīng)濟效益和市場前景。
權(quán)利要求
一種基于多模干涉的聲光轉(zhuǎn)換方法，其特征是，包括下列步驟使寬帶光源通過可調(diào)諧濾波器輸出窄帶光；使所述的窄帶光通過黏貼在振膜上的多模干涉光纖傳感器，當振膜感受聲波信號發(fā)生振動時，將使附著于其上的多模光纖傳感器發(fā)生形變，從而引起出射光的變化，實現(xiàn)聲波振動到光信號的轉(zhuǎn)化；使所述光信號經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后進行濾波放大處理，驅(qū)動揚聲器發(fā)聲，還原聲音信號。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多模干涉的聲光轉(zhuǎn)換方法，其特征是，所述使所述 的窄帶光通過黏貼在振膜上的多模干涉光纖傳感器進一步細化為，使窄帶光的中心波長固 定在多模干涉?zhèn)鞲衅魍干涔庾V斜率最大處。
3. —種基于多模干涉的光學麥克風，包括寬帶光源輸出到可調(diào)諧濾波器，可調(diào)諧濾 波器輸出到黏貼在振膜上的多模干涉光纖傳感器，多模干涉光纖傳感器輸出到用于對光信 號進行光電轉(zhuǎn)換的光電二極管，光電二極管輸出的電信號經(jīng)濾波放大驅(qū)動揚聲器。
全文摘要
本發(fā)明涉及聲光轉(zhuǎn)換、聲振動的光學檢測方法及麥克風，具體講涉及基于多模干涉的聲光轉(zhuǎn)換方法及光學麥克風。為提供制作成本低廉，靈敏度高，具有商業(yè)化的潛在可能并易于實現(xiàn)批量化生產(chǎn)的基于多模干涉的光學麥克風及其振動檢測方法。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是，使寬帶光源通過可調(diào)諧濾波器輸出窄帶光；使所述的窄帶光通過黏貼在振膜上的多模干涉光纖傳感器，當振膜感受聲波信號發(fā)生振動時，將使附著于其上的多模光纖傳感器發(fā)生形變，從而引起出射光的變化，實現(xiàn)聲波振動到光信號的轉(zhuǎn)化；使所述光信號經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換后進行濾波放大處理，驅(qū)動揚聲器發(fā)聲，還原聲音信號。本發(fā)明主要應(yīng)用于聲光轉(zhuǎn)換場合及麥克風的制造。
文檔編號H04R23/00GK101729967SQ20091031167
公開日2010年6月9日 申請日期2009年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月17日
發(fā)明者劉群, 李恩邦, 鄭丹瑩 申請人:天津大學