實驗名稱：環(huán)形諧振腔的聲傳感測試

測試設備：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的解調信號在加入聲信號時的響應

構建了基于相位調制光譜技術的聲信號檢測系統(tǒng)，如圖1所示。聲信號的頻率響應范圍被劃分為由揚聲器產生的50Hz-20kHz和由壓電陶瓷產生的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。在頻率響應測試實驗中，SG的輸出幅度保持在10V，以保持聲源所產生聲壓的穩(wěn)定性。在40kHz下校準了聚合物環(huán)形諧振腔]的性能，在40kHz、58kHz、200kHz和300kHz下測試了SOI微環(huán)形諧振腔產生的響應頻率點，以表明頻率范圍。在此基礎上，我們減小了頻率間隔，在50Hz到100Hz的范圍內，間隔縮小至10Hz。在100Hz到1kHz范圍內的間隔為100Hz，1kHz到20kHz的范圍內的間隔為1kHz。適當地增加超聲頻率范圍以測試所設計的傳感器能夠響應的頻率范圍。使用頻譜分析儀測試環(huán)形諧振腔的頻率響應范圍：在某一頻率點采集聲信號響應數據，直到聲信號的幅值無法與背景噪聲區(qū)分。測試結果如圖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Q值更高時，諧振腔性能更好，實現了更寬的頻率響應。然而，在超聲頻率測量過程中，仍可以觀察到某些高頻響應，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、信噪比太小導致，之后可以通過數字信號處理模塊進行后續(xù)的降噪處理。

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

實驗結果：

圖3：聲傳感器靈敏度對比圖

信號發(fā)生器產生1kHz正弦信號并保持不變，經功率放大器放大后，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準聲級計的聲壓值。如圖3所示，隨著聲源驅動電壓的增加，聲壓級逐漸增強從而導致空氣折射率產生明顯變化，檢測電壓幅值升高。實驗結果表明，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不如膜片式聲學傳感器靈敏度高，但其優(yōu)點在于線性響應頻率良好，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