一种高Q值椭圆差分共振光声腔的理论研究.pdf

第33卷，第7期 光谱学与光谱分析 2 01 and 3年7月 SpectralAnalysis July，2013 Spectroscopy 一种高Q值椭圆差分共振光声腔的理论研究 唐熙尧，杨远洪’，杨明伟 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院光电工程系，北京 100191 摘要光声腔的性能是决定光声光谱检测灵敏度的重要因素。为了增强光声光谱检测系统的信噪比和抗 干扰能力，本文首次提出一种新型的椭圆差分共振光声腔，建立了其声学特征模型并利用COMSOL软件对 光声腔的声学特性进行仿真研究。研究结果表明，当椭圆截面上的混合模态在短轴方向存在奇数个角向波 kHz以 节时，长轴两端声压达到峰值且相位反相；当椭圆腔的半长轴长度低于4Cm时，谐振频率能达到10 上，Q值可达到1835。基于这种椭圆差分光声腔，可实现光声信号的差分检测，抑制环境共模噪声；利用共 振腔的高Q值特性，能有效地增强系统信噪比，实现高灵敏度的光声检测。 关键词光声光谱；椭圆腔；差分；品质因数 中图分类号：0433．1文献标识码：A DOI：10．3964／j．issn．1000—0593{2013}07—1868—05 声腔的谐振频率和Q值较高。由于环境中噪声呈1／f特性， 引 言 在高频处检测光声信号能够降低环境噪声干扰m7|。同时高 Q值的选频作用使得只有极窄频带内的嗓声会对信号产生影 光声光谱是基于光声效应的一种光谱技术，其测量的是 响，因此能够使传感器进一步提高信噪比，适应各种复杂的 光能被气体吸收后转换的热能。当光能被调制时，产生周期 检测环境。 性热能。气样的温度变化引起气压的变化，因此通过调制光 能产生被调制的气压，即声波[1]。这种技术具有选择性好、 1基本原理 灵敏度高的优点，常应用于工业过程控制、环境保护等领 域‘2…。 1．1几何声学原理 然而光声信号十分微弱，检测时易受噪声干扰。差分光 当声波波长远小于腔体几何线度时，半长轴为。的椭圆 声腔是一种有效抑制噪声的途径[4]：光声信号在特殊设计的 结构具有如图1所示的聚焦性质：焦点^发出的声波经腔 共振腔内形成共振，激发出一对大小相等、相位差为180。的 壁任意点A反射后汇聚至焦点，z，形成共振效果；经B反 射再次回到，。的声波若与激发声波同相叠加时，也会形成 信号，可实现差分检测，较好地增强信噪比。例如，Boz6ki 等利用圆柱腔的二阶角向、纵向混合模态设计了一种差分光 声腔，Q值为12．5，在开放环境下对水汽的检测下限达到80 —、、＼|、彳 越L·L一1[5]。 ／／一 ／。 大多数差分光声腔采用两个传声器检测差模信号，然而 f／ 实际应用中，两个传声器的性能较难完全一致。由于现场噪 f7、、。／ 、． 声通道的复杂性，两传声器所接收的噪声信号并不是真正的 共模，因此信噪比的提高仍受到限制，检测性能也可能随现 {卜＼ 五 场环境的不同而受到影响。 ＼＼一 ／) B 为了进一步提高光声光谱检测技术的灵敏度和