實驗名稱：環形諧(xie)振(zhen)腔的聲傳感測(ce)試

　　測試設(she)備(bei)：高(gao)壓放大(da)器(qi)(qi)(qi)(qi)、信(xin)號發生器(qi)(qi)(qi)(qi)、示波器(qi)(qi)(qi)(qi)、鎖(suo)定放大(da)器(qi)(qi)(qi)(qi)、光電檢測器(qi)(qi)(qi)(qi)、相位調制(zhi)器(qi)(qi)(qi)(qi)、頻譜分析儀等。

　　實驗過程：

　　圖1：(a)環(huan)形諧振腔的(de)(de)實驗測(ce)試(shi)系統：PM，相位調(diao)制器(qi)(qi)(qi)；SG，信(xin)(xin)號發生器(qi)(qi)(qi)；PD，光(guang)電(dian)探測(ce)器(qi)(qi)(qi)；LIA，鎖定放(fang)大器(qi)(qi)(qi)；PI，鎖定頻率(lv)(lv)控制器(qi)(qi)(qi)；HVA，高壓放(fang)大器(qi)(qi)(qi)；OSC，示波器(qi)(qi)(qi)；SA，頻譜分析儀；PA，功(gong)率(lv)(lv)放(fang)大器(qi)(qi)(qi)。這里，藍線是(shi)光(guang)路(lu)，黑(hei)線是(shi)電(dian)路(lu)；(b)傳感(gan)器(qi)(qi)(qi)2的(de)(de)環(huan)形諧振腔的(de)(de)光(guang)譜線和頻率(lv)(lv)鎖定曲(qu)線；（c）傳感(gan)器(qi)(qi)(qi)2的(de)(de)解(jie)調(diao)信(xin)(xin)號在加入聲信(xin)(xin)號時的(de)(de)響(xiang)應

　　構建了基(ji)于相位調制(zhi)光(guang)譜技(ji)術的(de)(de)(de)(de)聲(sheng)(sheng)信(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)檢測(ce)(ce)(ce)(ce)系統，如圖(tu)1所(suo)示(shi)。聲(sheng)(sheng)信(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)頻(pin)(pin)率(lv)響(xiang)(xiang)應(ying)范(fan)圍被劃(hua)分為由揚聲(sheng)(sheng)器(qi)產(chan)生(sheng)的(de)(de)(de)(de)50Hz-20kHz和由壓(ya)(ya)電陶瓷產(chan)生(sheng)的(de)(de)(de)(de)20kHz以(yi)(yi)上(shang)(shang)的(de)(de)(de)(de)頻(pin)(pin)率(lv)。由于聲(sheng)(sheng)源頻(pin)(pin)率(lv)限制(zhi)，通過切(qie)換到(dao)(dao)(dao)壓(ya)(ya)電陶瓷來測(ce)(ce)(ce)(ce)試(shi)20kHz以(yi)(yi)上(shang)(shang)的(de)(de)(de)(de)超聲(sheng)(sheng)信(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)。在(zai)頻(pin)(pin)率(lv)響(xiang)(xiang)應(ying)測(ce)(ce)(ce)(ce)試(shi)實(shi)驗中，SG的(de)(de)(de)(de)輸出幅度保持在(zai)10V，以(yi)(yi)保持聲(sheng)(sheng)源所(suo)產(chan)生(sheng)聲(sheng)(sheng)壓(ya)(ya)的(de)(de)(de)(de)穩定(ding)(ding)性。在(zai)40kHz下校準(zhun)了聚合(he)物環形(xing)諧(xie)振腔(qiang)]的(de)(de)(de)(de)性能，在(zai)40kHz、58kHz、200kHz和300kHz下測(ce)(ce)(ce)(ce)試(shi)了SOI微環形(xing)諧(xie)振腔(qiang)產(chan)生(sheng)的(de)(de)(de)(de)響(xiang)(xiang)應(ying)頻(pin)(pin)率(lv)點(dian)，以(yi)(yi)表明頻(pin)(pin)率(lv)范(fan)圍。在(zai)此(ci)基(ji)礎上(shang)(shang)，我(wo)們減(jian)小(xiao)了頻(pin)(pin)率(lv)間(jian)隔，在(zai)50Hz到(dao)(dao)(dao)100Hz的(de)(de)(de)(de)范(fan)圍內(nei)，間(jian)隔縮小(xiao)至10Hz。在(zai)100Hz到(dao)(dao)(dao)1kHz范(fan)圍內(nei)的(de)(de)(de)(de)間(jian)隔為100Hz，1kHz到(dao)(dao)(dao)20kHz的(de)(de)(de)(de)范(fan)圍內(nei)的(de)(de)(de)(de)間(jian)隔為1kHz。適當地增(zeng)加超聲(sheng)(sheng)頻(pin)(pin)率(lv)范(fan)圍以(yi)(yi)測(ce)(ce)(ce)(ce)試(shi)所(suo)設計的(de)(de)(de)(de)傳(chuan)感(gan)器(qi)能夠(gou)響(xiang)(xiang)應(ying)的(de)(de)(de)(de)頻(pin)(pin)率(lv)范(fan)圍。使用(yong)頻(pin)(pin)譜分析儀測(ce)(ce)(ce)(ce)試(shi)環形(xing)諧(xie)振腔(qiang)的(de)(de)(de)(de)頻(pin)(pin)率(lv)響(xiang)(xiang)應(ying)范(fan)圍：在(zai)某一頻(pin)(pin)率(lv)點(dian)采集聲(sheng)(sheng)信(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)響(xiang)(xiang)應(ying)數據，直到(dao)(dao)(dao)聲(sheng)(sheng)信(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)的(de)(de)(de)(de)幅值無法與(yu)(yu)背(bei)景(jing)(jing)噪(zao)聲(sheng)(sheng)區分。測(ce)(ce)(ce)(ce)試(shi)結(jie)果如圖(tu)2所(suo)示(shi)。每個傳(chuan)感(gan)器(qi)的(de)(de)(de)(de)平坦(tan)度均(jun)為2dB，最寬頻(pin)(pin)率(lv)范(fan)圍達到(dao)(dao)(dao)160kHz。當Q值更(geng)高時，諧(xie)振腔(qiang)性能更(geng)好，實(shi)現(xian)了更(geng)寬的(de)(de)(de)(de)頻(pin)(pin)率(lv)響(xiang)(xiang)應(ying)。然而(er)，在(zai)超聲(sheng)(sheng)頻(pin)(pin)率(lv)測(ce)(ce)(ce)(ce)量過程中，仍可以(yi)(yi)觀察到(dao)(dao)(dao)某些高頻(pin)(pin)響(xiang)(xiang)應(ying)，振幅穩定(ding)(ding)，但無法與(yu)(yu)背(bei)景(jing)(jing)噪(zao)聲(sheng)(sheng)信(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)區分。因此(ci)高頻(pin)(pin)率(lv)缺失(shi)而(er)難以(yi)(yi)測(ce)(ce)(ce)(ce)試(shi)的(de)(de)(de)(de)原因可能是系統噪(zao)音大、電氣連接密集、信(xin)噪(zao)比太小(xiao)導致，之后可以(yi)(yi)通過數字(zi)信(xin)號(hao)(hao)(hao)(hao)處(chu)理(li)(li)模塊進(jin)行后續的(de)(de)(de)(de)降噪(zao)處(chu)理(li)(li)。

　　圖2：傳感(gan)器的頻率(lv)響(xiang)應和平(ping)坦度。（a）揚聲器的頻率(lv)響(xiang)應；（b）壓電陶瓷的頻率(lv)響(xiang)應

　　實驗結果：

　　圖(tu)3：聲傳感器(qi)靈敏度對(dui)比圖(tu)

　　信(xin)號發(fa)生(sheng)器(qi)(qi)產(chan)生(sheng)1kHz正弦信(xin)號并保持(chi)不(bu)變(bian)，經功率(lv)放大器(qi)(qi)放大后，信(xin)號連接到聲(sheng)(sheng)源(yuan)系統。通過控(kong)制SG的(de)(de)(de)(de)(de)振幅，聲(sheng)(sheng)源(yuan)輸(shu)出不(bu)同聲(sheng)(sheng)壓(ya)級的(de)(de)(de)(de)(de)信(xin)號。實驗中，SG振幅以1V的(de)(de)(de)(de)(de)步長(chang)從1-10V依次(ci)遞增。分別記錄示波(bo)器(qi)(qi)上傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)電(dian)壓(ya)輸(shu)出和(he)標(biao)準(zhun)聲(sheng)(sheng)級計的(de)(de)(de)(de)(de)聲(sheng)(sheng)壓(ya)值(zhi)(zhi)。如(ru)圖3所示，隨著聲(sheng)(sheng)源(yuan)驅動(dong)電(dian)壓(ya)的(de)(de)(de)(de)(de)增加，聲(sheng)(sheng)壓(ya)級逐(zhu)漸增強從而導致空(kong)氣(qi)折(zhe)射(she)率(lv)產(chan)生(sheng)明(ming)顯變(bian)化(hua)，檢(jian)測電(dian)壓(ya)幅值(zhi)(zhi)升高(gao)。實驗結果表(biao)明(ming)，所有(you)R2都大于(yu)0.97，線性(xing)度(du)很(hen)(hen)好。此(ci)外，Q值(zhi)(zhi)更高(gao)，傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)輸(shu)出電(dian)壓(ya)將呈(cheng)現大幅增長(chang)的(de)(de)(de)(de)(de)趨勢。因(yin)此(ci)，Q值(zhi)(zhi)為3.44*10的(de)(de)(de)(de)(de)6次(ci)方(fang)的(de)(de)(de)(de)(de)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)具有(you)60.075mV/Pa的(de)(de)(de)(de)(de)高(gao)靈(ling)敏(min)(min)度(du)。電(dian)聲(sheng)(sheng)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)靈(ling)敏(min)(min)度(du)很(hen)(hen)高(gao)，但頻率(lv)響應(ying)受膜片諧振特性(xing)的(de)(de)(de)(de)(de)限制，基于(yu)膜片的(de)(de)(de)(de)(de)光纖聲(sheng)(sheng)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)也(ye)與此(ci)相類似。目前，盡管基于(yu)檢(jian)測聲(sheng)(sheng)壓(ya)引起的(de)(de)(de)(de)(de)空(kong)氣(qi)折(zhe)射(she)率(lv)變(bian)化(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)環(huan)形諧振腔的(de)(de)(de)(de)(de)傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)技術(shu)不(bu)如(ru)膜片式聲(sheng)(sheng)學傳(chuan)(chuan)感(gan)(gan)(gan)器(qi)(qi)靈(ling)敏(min)(min)度(du)高(gao)，但其優點在于(yu)線性(xing)響應(ying)頻率(lv)良好，無頻率(lv)依賴性(xing)和(he)機械(xie)共振頻率(lv)的(de)(de)(de)(de)(de)影響。

　　高壓(ya)放(fang)大(da)器推薦：ATA-2082

　　圖：ATA-2082高壓放大器指標參數

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