[发明专利]一种多薄膜封装式波导耦合谐振腔结构的宽频带、高灵敏度声传感器

说明书

本发明涉及一种声传感器，具体是一种多薄膜封装式波导耦合谐振腔结构的声传感器，包括封闭腔体，放在封闭腔体正上方的多个薄膜，位于封闭腔体内部的直波导和环形谐振腔。多个薄膜用于隔离外界环境，传导声波，形成封闭腔体，使得声波引起封闭腔体内气体体积发生变化，从而引起气体密度的变化，进而引起腔内气体折射率的改变。而封闭腔体内的气体是作为波导耦合谐振腔结构的包层存在，波导耦合谐振腔结构在包层密度发生变化时，其谐振频率会发生飘移，以此来检测外部声波。该传感器由于使用波导耦合谐振腔结构，以声波致腔内全反射的气体介质折射率的变化为检测原理，其声探测频带宽、灵敏度高，适用于水下声信号的检测、工业环境中的过程控制和医疗诊断等领域。

技术领域

本发明涉及声传感器，具体为一种多薄膜封装式波导耦合谐振腔结构的宽频带、高灵敏度声传感器。

背景技术

声传感器是能够感受声波并转换成可用输出信号的传感器。传统的声传感器主要以薄膜或压电材料为敏感结构，通过机械振动来采集声信号，这种声传感器受运动部件的影响，频带只集中在运动部件的共振频率处，使得传感器的频带较窄；基于可移动部件的检测原理，本征的检测灵敏度不高，而且，传统的结构还易受外界环境的影响易产生较严重的噪声，信噪比较低，传感器的灵敏度低。

随着新一代工业技术及信息技术的发展，对声信号检测频域上的带宽及其灵敏度都提出了更高的要求，超宽频带高灵敏度声信号测试技术是探测、成像、侦察等测试装备的发展需求。超宽频带高灵敏度声传感器件，可以获取更多的信息，实现更加精准、快速的目标识别、分析和参数设定，在军民应用领域都有着广阔的市场前景。因此，基于新原理、新方法的超宽频带、高灵敏度声传感器成为了重要发展方向。

基于声波-光信号转换原理的声信号测试技术，相比传统的基于各种声传感器件的声信号测试技术，具有优异的抗电磁干扰、宽的频带响应范围、高灵敏度、长寿命、高可靠性、结构简单等优异性能，适用于极其恶劣的工业环境。

基于光纤应力应变的声传感测试技术，其声阻抗匹配差，频带和灵敏度都较低，随后发展出了膜片振动式声传感测试技术，其仍存在因机械部件振动所带来的频带窄、灵敏度低的问题；探索超宽频带高灵敏度光声传感器技术，通过检测声波致介质密度的变化而引起光强（相位）的变化来实现声信号的探测，可避免因敏感部件机械共振限制的频带，同时声压改变介质折射率的光学检测方法可大幅度提高灵敏度。

声波的声压能影响介质密度，即改变介质折射率，进而影响光在介质中的速度，载有声调制信息的光信号，通过光的干涉可以检测瞬时的声压变化，实现纯光学的声探测。这种声传感器件允许在没有机械运动部件的情况下直接测量声压，可以消除因机械特性（机械敏感性干扰、固有的有限频率带宽、非线性）引起的传感器失真，相比于目前最先进的光纤振膜声学传感器，纯光学传感器具有十倍的频率响应范围，因此，纯光学声传感器件可以在更宽的频带内实现更平坦的频率响应，同时具有更高的探测灵敏度。由此，传统的“声—机械—压（光）—电”的声传感模式，转变成“声—介质密度—光—电”的声信号传感新模式。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有声传感器存在的频带窄、灵敏度不高的问题，提供一种多薄膜封装式波导耦合谐振腔结构的宽频带、高灵敏度声传感器。