● 摘要
反射式强度型光纤声探测系统具有原理简单、实现容易、不易受电磁干扰等诸多优点而受到越来越广泛的重视。本系统由于同时兼顾高灵敏度、宽频域和微尺寸的工程要求，因而在反射式强度调制型光纤声音探测系统的基本原理上进行了新的设计，使它可以较好地达到了实际的设计要求。可以对微弱的声音信号进行有效地检测，降低系统的生产成本，突破了国外对于同类传感器的封锁。本课题采用理论和实践相结合的研究方法来促进项目的进展以及论文的写作。课题的重点是深入研究光纤声探测系统的关键器件技术，设计并搭建实验系统，并通过一系列的仿真和实验来优化系统的性能；同时要求不断优化生产工艺，优化器件的结构参数，最终要实现一部与国外同类型性能接近的光纤声探测系统样品。本文采用双光纤结构来实现强度型反射式光纤传感原理，分析了双光纤夹角、发射接收光纤的数值孔径、膜片与光纤探头的距离等因素对系统性能的影响，地设计了声音传感系统的结构，设计了实现系统结构所需的各种元件，主要包括前导声管、光纤传感头、外套管等；在微观方面，利用声学、材料力学等相关知识，分析了振动膜片的褶皱、弹性模量、厚度、半径等基础参量对膜片振幅和频率的影响，并且依据该分析，设计了具有褶皱微观结构的圆形振动敏感膜片，从而提高了系统的灵敏度以及声频探测范围。基于上述分析和总结，设计并加工了光纤声探测系统所需要的一系列元件，为组装这些元件搭建了膜片制作平台以及多维调节组装平台，并且基于这些基本设备和实验条件，设计并优化了传感系统的组装搭建工艺，最终搭建出了一套具有低噪声、高灵敏度、宽探测频率区间的光纤声探测系统。最后完成了对该光纤声探测系统的性能测试：在一标大气声压（94dB SPL 1kHz）的正弦信号的激励，系统的具有声频响0.3~3.4kHz，拾音灵敏度达到16mV，信噪比达到55dB，信号失真度为0.9%。测试证明该光纤声探测系统具有比较优异的性能。