1.2.2 直接耦合型光学声传感器

直接耦合型光学声传感器是最近几年发展起来的一项新型光学声传感技术，其声敏感原理为声波扰动引起空气折射率的微小变化，然后直接用光束检测空气折射率的变化从而实现声探测。因为摆脱了声耦合材料的限制，直接耦合型光学声传感器相比间接耦合型光学声传感器具有宽频带、高灵敏度和大动态范围的优点。目前，直接耦合型光学声传感器主要有自耦合效应型、MZI型和法珀腔型等。

2016年，Mizushima等提出了一种基于半导体激光器自耦合效应的激光传声器，声敏感原理是声波信号会线性改变空气折射率，从而使自耦合激光产生光强变化，原理图如图1-30所示。激光传声器具有宽而平的频率响应，最小可探测声压为10mPa[62]。2017年，Mizushima等利用抛物面声波反射器收集声波来提高声响应灵敏度。实验结果表明，激光传声器在40Hz～50kHz范围内具有近乎平坦的频率响应，灵敏度为35mV/Pa，最小可探测声压低至4.5mPa[99]。

图1-30 基于半导体激光器自耦合效的激光传声器原理图

2011年，Fischer等提出了基于这种新型声敏感原理的无膜光学麦克风[100]，声敏感结构为由两个部分透射的平面镜组成的刚性法珀腔，声探测原理为声波扰动使平面镜之间的空气折射率发生变化，通过检测折射率变化实现声信号探测。图1-31是其实验原理图和声压灵敏度曲线，实现的声压灵敏度达80mV/Pa。声信号探测的灵敏度由反射镜的反射率决定，反射率越高，所能实现的灵敏度越高。在室温和标准大气压下，空气折射率的变化为2.84×10-9/Pa，理论上，基于法珀腔的直接耦合型光纤声传感器可以检测到的最小折射率变化为10-14。2016年，奥地利XARION激光声学公司研发了高性能的微小型法珀腔光纤声传感器[22]，其产品样机及探头如图1-32所示。该产品在空气中实现了10Hz～1MHz的频率响应，动态范围为100dB，但灵敏度只有10mV/Pa，应该是由于该产品中的镜面反射率较低造成的。

图1-31 法珀腔型无膜光学麦克风传感实验原理图及声压灵敏度曲线

图1-32 微小型法珀腔光纤声传感器产品样机及探头

中北大学从2016年开始进行基于高Q值法珀共振敏感机制的全固态超宽频带高灵敏声传感器件的相关研究，主要围绕法珀腔声压敏感机理、全固态法珀腔结构力学参数特性、基于高频载波调相谱的高Q值法珀腔稳频环路模型等基础科学问题，先后申请了国家自然科学基金面上项目、中央军委装备发展部预研项目等，重点解决宽频带高灵敏度声敏感法珀腔的结构参数匹配设计、法珀腔一体化全封装技术、极微弱信号检测关键技术及宽频带高灵敏法珀腔声敏感单元的环境适应性等关键技术，为实现集成化、批量化的超宽频带（～MHz）、高灵敏声传感器件奠定了一定的基础。

2020年，中北大学的Chen等基于高品质因数法珀腔的谐振效应，报道了一种纯光学无振膜光纤声传感器[23]，声传感器实物图如图1-33所示。采用光胶工艺实现高品质因数法珀腔的小批量制造和高一致性。该法珀腔由两个平行平面镜组成，反射率超过99%，品质因数高达106。光纤准直器用来进行光纤与法珀腔的光耦合，目的是增加光耦合效率，降低损耗。所提出的微光纤声传感器实现了177.6mV/Pa的高灵敏度。由于声波调制时法珀腔空气隙中的空气折射率发生了变化，得到了20Hz～70kHz的频率响应，平坦度为±2dB，同时测得了100.51dB的大动态范围。这项工作得到了直接利用光束检测声波引起空气介质折射率的微小变化来实现声探测的纯光学无振膜微小型光纤声传感器，形成了具有自主知识产权的专利技术，提升了我国在全固态宽频带高灵敏度声传感研究领域的核心竞争力。

图1-33 基于高品质因数法珀腔的微光纤声传感器及尺寸图

2020年，西北大学的Zhu等设计并加工出无振膜MZI光纤声传感器，声传感原理图如图1-34（a）所示[101]。该光纤声传感器是基于3D打印技术制备的与光纤耦合器陶瓷插芯所匹配的套管结构，结构体积小巧，传感头实物图如图1-34（b）所示。实验测试结果为，频率响应范围4～20kHz，声压灵敏度约150mV/Pa，同时最小可探测声压0.01Pa，最大可探测声压1.04Pa。目前，该声传感器仅处于实验研究阶段，没有工程化样品。

图1-34 基于MZI的无膜声传感原理图及3D打印套管光纤声传感头实物图

直接耦合型光纤声传感技术中，自耦合效应型光纤声传感器虽然开辟了一种新的声探测路径，但其整体结构相对复杂，不利于微型化声传感；法珀腔型光纤声传感器不仅结构简单、体积小，还可以实现频率响应平坦范围在兆赫兹以上的声探测，特别是基于高Q值法珀腔谐振效应的光纤声传感技术能充分利用光腔的多次反射特性，通过增加光程进一步提高声检测灵敏度，是一种极具发展价值的新技术。

表1-1是不同技术类型光纤声传感器性能参数对比表。从表中可以看出，光强调制型光纤声传感器中的弯曲波导型、耦合波导型和悬臂型主要应用于水声领域，反射型和移动闸门型多用于空气声领域，而且反射型和移动闸门型的光纤声传感器灵敏度相比其他三种要高很多。与光强调制型光纤声传感器相比，波长调制型光纤声传感器虽然可以在水声领域实现超宽频带的声探测，但由于FBG光谱边带的限制，灵敏度较低。相位调制型光纤声传感器在空气声领域中的探测灵敏度更高，频带响应更宽，其中FPI型光纤声传感器的声探测性能要明显优于其他三种类型。直接耦合型光纤声传感器利用光与声场直接耦合实现声探测，可以摆脱声耦合材料的限制，使得传感器在空气声领域具有很好的线性和宽频带响应特性。其中自耦合效应型光纤声传感器在空气中实现了50kHz的宽频带和132mV/Pa的高灵敏度，但结构复杂，不利于微型化；法珀腔型光纤声传感器结构简单、体积小，可以实现20Hz～100kHz的平坦宽频带、177.6mV/Pa的高灵敏度和100.51dB的大动态范围声探测，而且声性能还能进一步提升。比如，可以通过更高精度的位移平台进行光纤与法珀腔的耦合，降低光损耗，增加声响应灵敏度。综上所述，基于法珀腔的光学声传感器是当前性能最优，也是最具有发展前景的光学声传感器。

表1-1 不同技术类型光纤声传感器性能参数对比表

续表

注：NA=没有可用数据。

表1-2总结对比了基于不同声敏感元件的法珀腔光纤声传感器的性能。从表中可以看出，用作水听器的光纤声传感器能在水中实现宽频带的声探测，但灵敏度较低。而用于空气声探测的光纤声传感器能实现很高的灵敏度，可进行弱声探测，但频带较低，多集中在人声频域。另外，由表1-1和表1-2可以明显看出关于光纤声传感器的动态范围特性的研究甚少，对FPI光纤声传感器来说，主要是由于声耦合材料的声学限制，在实现高灵敏度或宽频带的同时很难再进一步提高动态范围。而法珀腔的全刚性结构特性决定了基于法珀腔的光纤声传感器可以实现大动态范围的声探测。综上所述，中北大学提出的基于法珀腔谐振效应的无振膜光纤声传感器实现了宽频带、高灵敏度和大动态范围空气声探测。这一类无振膜光纤声传感器的出现为光纤声传感器向理想声探测性能发展方向迈进起到了极大的促进作用，具有重要的研究价值。

表1-2 基于不同敏感元件的法珀腔光纤声传感器的性能总结与对比

续表

注：NA=没有可用数据。