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第十届广东省物理实验设计大赛 参赛设计报告 基于双光纤传感的环境 次声监测装置 参赛单位：华南师范大学 物理与电信工程学院2007级 小组成员：郭良钟 柯文杰 何国军 陈玲玲 吴丽如 指导老师：李志为 【摘要】本作品利用次声的声学特点，采用研制监测模式，灵敏度及稳定度高，性价比高。基于光纤传感的设备具有结构简单、容易实现、低成本及高性能等特点。由次声源发出的声信号用薄膜接收，由此引起的振动对光纤传输来的光进行反射调制，转化成光信号，再通过光电探测器将光信号转化成电信号，对电信号进行放大、滤波等处理，再经A/D转换和单片机处理，最后显示出次声频率和声强。 【关键词】次声 双光纤传感 光调制 光电转化 一、作品的设计 1、 次声基本概念及接收原理 振动体所发出的频率低于20Hz的声音称为次声。次声传播远，衰减小，穿透力强，一般的障碍物很难将次声挡住，而且随着传播距离的增加衰减极小，在不同的媒介中也如此。 次声在大气中传播时，会使空气的压力、密度和质点产生微小变化。要接收次声波，只要用仪器测出空气中这些参量的任何一种变化即可。测定声压变化的方法应用得最普遍，一般是靠外界空气压力变化引起腔内外压力不平衡而导致膜片变形来测量次声波的。由于次声波的声压太小，只有几十到几百的数量级，引起膜片变形太小，不能用机械的位移直接绘图的方法得到次声波形，而必须把这种机械的位移转化为电信号，用灵敏的检流计或通过电子放大后记录下来，以此分析次声的各物理特性。 实际应用中使用较多的次声接收器是电容次声传感器，其具有频率范围宽、失真度小等特性，对其进行研究的很多，相关的资料成果也较多，但难在某些恶劣的环境下正常工作。例如，探测化学或电磁场环境中的声场。 在此作品中，我们将采用一种全新的方法：双光纤传感，期望能代替传统的电容传感器。 2、作品设计理念 ⑴ 双光纤传感的设计 光纤传感技术以光波为载体、光纤为媒质，具有一系列独特的、其他载体和媒质难以相比的优点： 光波不产生电磁干扰，也不怕电磁干扰，易为各种光探测器件接收，可方便地进行光电或电光转换，易与高度发展的现代电子装置和计算机相匹配；光纤工作频带宽，动态范围大，适合于遥测遥控，是一种优良的低损耗传输线；在一定条件下，光纤特别容易接受被测量或场的加载，是一种优良的敏感元件；光纤本身不带电，体小质轻，易弯曲，抗电磁干扰、抗辐射性能好。 与传统声电型换能器不同，光纤声传感是通过声光换能方式，利用声振动来调制光信号，能方便地处理某些传统声学测量中难以解决的技术问题。 基于以上优点，本作品采用双光纤传感来接收次声波，具有结构简单、容易实现、低成本及高性能等特点。 ⑵ 声——光——电 转化设计 采用振动反射薄膜接收次声波，薄膜在次声波的作用下发生振动。采用双光纤线检测薄膜的振动，一根光纤与稳定光源发射模块相连，经膜片反射后的光由另一根光纤接收。输出的反射光用光电探测器将其转换成包含待测声强和频率的电信号。 3、作品设计结构图 二、物理原理 1、双光纤传感原理 双纤中的发送光纤与大功率激光光源相连，发射光纤发出的光投射到接收次声波的薄膜上，经膜反射后部分光进入接收光纤，由接收光纤输出的光将由光电三极管接收。 图 1 图1中，在未有施加外界压力的情况下，光纤端面到振动发射膜片的距离为，在施加外界声压的情况下，膜片发生振动，膜片到光纤端面的距离变为L，使得接收光纤接收到的光强随着端面到膜片的距离的变化而变化，在输入激光光源的光强恒定前提下，接收到的反射光强度与膜片的位移量成正相关关系。故通过光电三极管对光强进行检测，可得知施加在膜片上声压，从而知道次声的声强。 2、次声的声强 振动反射膜接收简谐次声波时，膜片表面受到一均匀的简谐外力作用，则在膜片表面对应有一声压为 ······························ ① 的声波作用，其中为声压的振幅（单位为N/m）,ω为声波的圆频率。 在一定时间间隔内，瞬时声压对时间取均方根值称为有效声压。 声压级，在空气中，参考声压一般取为。故求得了有效声压，即求得了声压的振幅就可求得声压级。 声强级与声压级数值上近于相等，故也可求得声强级SIL。 （1） 圆膜振动 弹性控制区界限的膜片的基频（第一共振频率）： ····························· ② 其中a为膜片的半径，T为膜片的张力，σ为膜片的面密度。 在膜片的弹性控制区界限内，即要求时，平均位移振幅有一近似式： ·····························③ 由于膜片的半径、膜片的厚度d、膜片的密度ρ、膜片的基频可由膜片的性质参数查到，而膜片的面密度为，所以膜片的张力