基于光纤传声器的振膜声压灵敏度测试方法_王坤博.pdf

2022年第46卷第10期101Parts and ApplicationS器 件 与 应 用文献引用格式：王坤博，周瑜，刘超，等.基于光纤传声器的振膜声压灵敏度测试方法 J.电声技术，2022，46（10）：101-106.WANG K B，ZHOU Y，LIU C，et al.Test method for diaphragm sound pressure sensitivity based on the fiber optic microphoneJ.Audio Engineering，2022，46（10）：101-106.中图分类号：TN641 文献标识码：A DOI：10.16311/j.audioe.2022.10.029基于光纤传声器的振膜声压灵敏度测试方法王坤博，周 瑜，刘 超，魏晓村（中国电子科技集团公司第三研究所，北京 100015）摘要：提出一种振膜声压灵敏度测试方法，通过法布里-珀罗干涉式光纤传声器系统，可有效得到振膜声压灵敏度。在理论分析中，应用多光束干涉法进行建模，分析得到振膜声压灵敏度受传声器性能参数的影响关系。应用激光测振仪和提出的测试方法对镍膜的声压灵敏度进行测试，验证了所提测试方法的准确性。最后应用所提出的测试方法测试了小尺寸的微机电（Micro Electro Mechanical System，MEMS）振膜。基于光纤传声器的振膜声压灵敏度测试方法为振膜的选用和高性能传声器的研制奠定了基础。关键词：振膜；灵敏度；光纤传声器Test Method for Diaphragm Sound Pressure Sensitivity Based on the Fiber Optic MicrophoneWANG Kunbo,ZHOU Yu,LIU Chao,WEI Xiaocun(The Third Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Beijing 100015,China)Abstract:This paper proposes a kind of test method for diaphragm sound pressure sensitivity based on the Fabry Perot interferometric fiber optic microphone.In the theoretical analysis,the optical model is established with method of multi-beams interference,and the influence of the microphone parameters to the sensitivity of the diaphragm is achieved.The acoustic pressure sensitivity of nickel membrane is tested by laser vibrometer and the method of this paper,which verifies the accuracy of this method.In the last,the acoustic pressure sensitivity of Micro Electro Mechanical System(MEMS)membrane is tested by the method based on the fiber optic microphone.The Test method for diaphragm sound pressure sensitivity based on the fiber optic microphone lays a research foundation for the selection of diaphragm and the development of high performance microphone.Keywords:diaphragm;sensitive;fiber optic microphone 0 引 言传声器是感受声音信号的传感器 1，其中，振膜是核心器件，直接接收声音信号后将其转换成电信号或其他信号。振膜的声压灵敏度直接影响传声器的灵敏度2-3。因此，为了研制高灵敏度的传声器，首先需要研制高声压灵敏度的振膜。而针对振膜声压灵敏度测试方法的研究较少。目前，实验室多采用激光测振仪测试振膜在某一频率下的中心位移4-8。此方法所用设备昂贵，同时对振膜的尺寸有要求，要求振膜等效直径不小于 1 mm，从而限制了可测试的振膜种类。本文提出一种基于法布里-珀罗（Fabry Perot，F-P）干涉式光纤传声器的振膜灵敏度测试方法，可在测得传声器灵敏度的同时，得到振膜声压灵敏度，方法简单，且降低了对振膜尺寸的要求，振膜尺寸大于几十微米即可。1 理论分析F-P 干涉型光纤传声器系统组成如图 1 所示，主要包含激光器、探测器、环形器以及敏感元件。激光器输出稳定的窄谱激光光束，经由光纤环形器连接 F-P 干涉型声光敏感元件。经由 F-P 腔返回的光通过环形器，输入到光电探测器，经由信号处作者简介：王坤博（1984），女，博士，高级工程师，研究方向为声传感及光纤传感技术。E-mail：15801473415 。2022年第46卷第10期102器 件 与 应 用arts and ApplicationsP理电路进行滤波放大和输出。激光器光纤环形器敏感元件探测器图 1 F-P 干涉型光纤传声器系统组成示意图其中，敏感元件直接感受声信号，其结构如图2 所示。F-P 干涉腔敏感元件由振膜反射面和光纤端面组成。振膜接收声信号，光纤通过结构件固定，保证光纤端面与振膜反射面较好的平行度，降低光功率损耗。光纤振膜图 2 F-P 干涉型声敏感元件结构示意图光在 F-P 干涉腔内传输，经由多光束干涉，其归一化输出光谱表达式 9-11为()()20212120122002121242cosexp42212cosfn LRRR RIn LIR RR R+=+（1）式中：R1和 R2分别为光纤端面反射率和振膜端面反射率，n0=1为空气腔的折射率，为光路损耗（从光源经由F-P腔到达探测器），L为F-P腔有效腔长，为光纤端面与振膜间的光耦合效率。0为中心波长，f=FWHM/(81n2)1/2，FWHM为光源输出光谱的半高全宽值，I0为波长 0对应的光强值。由于光纤端面的反射率在一般情况下为 4%，为弱反射，因此，干涉光谱输出近似为双光束干涉，其仿真得到的干涉光谱如图 3 所示。输出光强声源信号解调输出信号干涉光谱-谐振曲线波长Ik0图 3 干涉光谱谐振曲线及强度式解调原理示意图本文选用强度式解调方法 12-14。外界无声信号作用时，F-P 干涉腔输出为周期性的谐振曲线。选取其中一段线性区作为工作区域（如图 3 所示，工作点处斜率为 k），线性区中心点作为工作点，当外界有声信号作用时，F-P 干涉腔腔长发生变化，谐振曲线左右偏移，工作点处的光强发生变化，通过检测光强的变化量，可得到声音信息。假设声音信号导致的波长变化量为，则导致的光强变化量 I 可近似表示为Ik=（2）而由腔长变化导致的波长变化，其推导过程如下。根据式（1），可以推导得出 F-P 干涉腔的光谱宽度 FSR（即两谐振峰或谐振谷之间的间距）表达式为22FSRL=（3）在声波信号导致振膜偏移，使得干涉谱发生平移时，其对 FSR 的影响可忽略不计，因此假设 FSR是定值，可得出腔长表达式为22LFSR=（4）因此，由式（4）可得腔长变化量（也就是振膜位移量）L 的表达式为22LFSRFSR =（5）为干涉谱波长平移量，单位为 nm。因此，由式（5）可得波长变化量的表达式为FSRL=（6）当腔长变化 1 nm 时，不同 FSR 对应的波长变化量如图 4 所示。由图 4 可以看出，随着 FSR 增大，波长变化量也随之线性增大。以往所设计的 F-P干涉式光纤麦克风，其干涉腔的 FSR 一般为几个纳米，此时波长变化量远小于腔长变化量，这也进一步验证了可以将工作点处的曲线近似线性化。对于基于强度解调的 F-P 干涉式光纤传声器，考虑到输出信号的线性度，其工作范围最多不超过1/4 FSR。由式（6）可以得出，波长变化量与 FSR 的比值与腔长和FSR没有关系，只与腔长变化量有关，如式（7）和图 5 所示，其中腔长变化量又代表振膜2022年第46卷第10期103Parts and ApplicationS器 件 与 应 用位移变化量。102030405060708090 1000.010.020.030.040.050.06FSR/nm波长变化量/nm 图 4 腔长变化 1 nm 时不同 FSR 对应的波长变化量1LFSR=（7）102030405060708090 1000.010.020.030.040.050.06腔长变化量/nm 波长变化量/FSR图 5 波长变化量与 FSR 的比值随腔长变化的关系结合式（2）和式（6），得到光强变化量 I 与腔长变化量（也就是振膜振动幅度）的关系为FSRIkkL=（8）其中斜率 k 可通过测试得到的光谱计算得到。光强通过探测器转换成电流，再经由信号处理电路，转换为电压的变化。光纤传声器的灵敏度可表示为aePDddePDVSI NRKkNRKP=（9）式中：V 为输出电压值，Ne为光电探测器的转换效率，一般为 0.95 A/W，RPD为跨阻大小，K 为放大电路倍数。结合式（6）和式（9），可以得到振膜位移量为aePDSLFSRFSR k NRK=（10）其中，Ne，RPD，K，为设计值，Sa，FSR 和 k可由过程试验测得。2 试验测试本文所测试的传声器均为光纤传声器，且为了实现对比测试，所应用探测器、环形器和解调电路均相同，保证公式中 Ne，RPD，K 等参数是相同的。所用光源根据干涉光谱特性，选择光源输出波长和功率，在干涉曲线工作点处线性度允许的情况下，尽可能选择相同的光波长和光功率。所测试的两个不同振膜的探头如图 6 所示。图 6 中左侧元件为镍膜，振膜直径约 12.7 mm：右侧 元 件 为 微 机 电 系 统（Micro Electro Mechanical System，MEMS）工艺制备的振膜，振膜尺寸为 1.9 mm1.9 mm。首先应用激光测振仪测试得到镍膜的灵敏度，之后应用本文提出的测试方法进行镍膜声压灵敏度测试，两种测试方法得到的结果具有高度一致性。之后应用本文提出的方法测试所研制的 MEMS 振膜。图 6 基于两种振膜的声敏感元件所应用的激光测振仪为德国 Polytec 公司的PSV-500 多功能全场扫描式激光测振仪 16，其位移分辨率优于 0.15 nm，频率范围覆盖 DC-24 MHz，工作距离覆盖 0.125 100 m，扫描样品大小从几个平方毫米到数平方米。由激光测振仪的参数可以看出，其适于测试较大尺寸的样品，一方面，大尺寸样品测试面易于聚焦对准，另一方面，小尺寸的样品测试精度不能保证。因此，本文仅对直径 12.7 mm 的镍膜进行了激光测振仪测试，以验证基于 F-P 干涉式光纤传声器测试振膜声压灵敏度方法的准确性。2022年第46卷第10期104器 件 与 应 用arts and ApplicationsP2.1 F-P 干涉式光纤传声器灵敏度测试在测试振膜声压灵敏度之前，首先需要测试得到光纤传声器的输出灵敏度，测试方法如图 7所示。光纤敏感元件光电模块标准声源（1Pa1kHz）B&K Pulse电脑图 7 灵敏度测试系统示意图将敏感元件放于标准声源中，标准声源发出 1 Pa1 kHz 的声信号，经由光电模块，将输出信号接入声校准系统 B&K Pulse，可得到灵敏度值。测试得到镍膜声敏感元件的灵敏度为 SNI=272 mVPa