光纤麦克风传声技术-毕业论文.doc

光纤麦克风传声技术摘要：鉴于光纤传感器具有体积小、结构简单、灵敏度高、抗电磁干扰且光纤本身的低 损耗、耐腐蚀和安全可靠等优良特性，将光纤传感器应用到麦克风中可使麦克风的体积显著 降低而灵敏度和抗电磁干扰性显著提高这种光纤传感器在完成声光转换的同时对声频信号 进行了滤波处理，从而能够在强电磁干扰等一些特殊的环境中工作而不受影响木文就强度 调制型光纤麦克风进行理论上的分析，来指出其具有可行性，并给出了光纤麦克风整个系统 结构设计方案最后分析了当前光纤麦克风领域的发展以及对未来的展望关键词：光纤传感器；光纤麦克风；强度调制型；光纤传感探头；耦合器Sound transmission technology of fiber microphoneAbstract Because of the fiber sensors excellent characteristics, such as small volume, simply structure, high sensitivity, low loss, resistance to electromagnet interference and corrosion resistance, it is used in a microphone to reduce the size of the microphone, and improve its sensitivity and electromagnetic immunity perfbnnance.This kind of fiber sensor in acousto-optic conversion of audio signal filtering processing, which can work in strong electromagnetic interference and other special environment and is not influenced by the.This paper makes a theoretical analysis of intensity modulation fiber microphone, to indicate its feasibility, and gives the system structure design of fiber microphone.Finally, we analysis of the current development in the field of optical fiber microphone and prospects fbr the future.Keywords fiber sensor;fiber microphone; intensity modulation; reflective fiber-optic sensing probe; coupler.光纤麦克风是一•种新型的声音传感器，充分利用了光纤传感器的优良性能, 结构简单、体积小、抗磁场和电场，耐腐蚀，可以胜任电麦克风无法胜任的强电 场和强磁场等场合。

光纤麦克风实际上是将一种声音振动信号转换成调制的光学 信号，然后经过光纤的传输，再将调制的光信号解调成电信号的装置因而制作 成光纤麦克风就具有体积小、抗电磁干扰、耐腐蚀、无需供电等优点，能够广泛 用于强电磁环境及供电困难、隐蔽情况等恶劣条件下的通信目前光纤麦克风主 要有相位调制型⑴和强度调制型⑵本文采用的是强度调制型光纤麦克风，它的 结构简单、微型，应用就更加广泛避免了相位调制型光纤麦克风复杂的结构和 昂贵的价格一光纤麦克风的基础理论1.1光纤麦克风的工作原理本文所设计的光纤麦克风是以反射式强度型光纤传感器为基础来进行的，它 的基本结构由光源、光纤传感探头和作为光电转换元件的光接收器组成它的工 作原理是这样的：由发光二极管发出的光经过光纤入射到具有金属涂层的弹性膜 片上，当声音信号使弹性膜片振动时，入射光被弹性膜片振动调制后反射出去， 此时接收光纤接收反射光，解调后就可以还原成声音信号了叫1.2光纤麦克风传感探头的理论模型分析设传感探头内的圆形弹恨祺拘函祯l)D,在声场的作用下，膜片发生形变, 形变后的膜片曲率半径为中忌磁酬 鼠反射式光纤传感探头的坐标分 析系统如图1所示我们采用等效分析法来分析该系统，先画出接收光纤关于反 射弹性膜片的镜像，在利用投射分析法来计算该镜像接收光纤在发送光纤端端口 光场中接收到的光强值，最后将该光强值乘以反射膜片的反射率R,来作为实际 系统的等效结果。

F(QAZ")图1反射式光纤传感探头的坐标分析系统1.3光纤端端口的出射光场的场强分布多模光纤端端口的出射光场的场强分布［可为>- 7 )= _^2^[1 + ^(Z/6z0)3/2 tan^]2式中：L为由/辨耦合进入发射光纤|U的光牛是光纤芯的半径；&为与 光源种类及光源和光纤痛挣浦岫臭础g珈哩冒一表征光纤折射率分布的相关 参数；0为光纤的最大出射角1.4等价光纤的有关参数1 1 2z Z Rd在声场作用下弹性膜片发生形变是，可根据成像公式：有式中Z为出射光纤到膜片中心的牛离；］Z冲射光纤到膜片变形后的中心距离由⑵式可得:Z-h Z R.则其放大率为(4)等价光纤的纤芯半径为(5)曲率半径与圆形弹性膜片中心偏离量h之间的关系⑸：Q = %0(6) 由图1中的儿何关系和(3), (5), (6)式可以，得到发射光纤与其等效光纤间的间 距： 七=0-2h(7)Z" = Z + Z-/z等价光纤的纤芯半径为_ 6Z/?2 -4/?3-4Z2/? + 2ZD2-2D2/?- D2+3/?2-4Z/?(8)当出射光纤的出射光被弹性膜片网庐，接收光纤此时处于反射光区域内, 等价光纤端面面积为S 二网诚顽函虱I男。

/(尸,Z〃)=脚*"s=!上疽面07%)为2 tan0]2 (9)SI在光纤纤端出射出射光场的远场区，我仰可以将接收光纤端面中心点处的光 强近似看作整个纤芯端面上佝阵厕帮后厩时段近似化为E")一打2[1 + &07%)3%4展]2 (10)由图1分析可得，镜像光纤端面中心点的坐标值为F(0, Z"),将其代入(10) 式中并乘以反射膜片的反射窣皿-蔡乐僵浙琳映督辟脱数：(11)1.5对于阶跃光纤，我们取1,由于要尽量使反射回来的光能更多的进入光纤，多 模光纤纤芯半径的取值应该使用较大芯径的光纤，我们使用纤芯半径为%=200|im,多模光纤的出射光束的最大发射角0=18发光二极管与多模光纤耦合的调制参数&=0.38,取弹性膜片的直径D=lmm,弹性膜片的反射率R=92%, 取光纤端面到膜片的初始距离为Z=0.4mm,由光源耦合进入发射光纤中的光强取/ 1,用Matlap软件模拟可得弹性膜片在声场作用下的中心偏离量/z与光强调制函数/(Z〃)的关系，如图2所示图2 /7与光强调制函数/(Z〃)的关系从图上所示曲线可知:随着弹性膜片的中心偏离量龙的增大，光强分布强度/(Z") 也随之上升。

这样就可以用光强的改变来表示声音的大小这就强度调制型光纤 麦克风工作的基本依据二光纤麦克风整体设计2.1光纤麦克风系统的整体框图依据上面所示的强度调制型光纤麦克风的基础理论，我们可以设计出此类光 纤麦克风系统的结构框图，如下：图3光纤麦克风系统的结构框图上图3即为光纤麦克风系统的结构框图，图中发光二极管发出的光经过发送 光纤进入传感器探头，再经过调制后进入接收光纤，接收光纤再将调制过的光送 至光电二极管转换成电信号，然后进行放大和处理后输入扬声器，播放出来其 原理是当反射膜受到声音的影响，产生振动时•，光的强度就产生了同声音一•致的 变化直接测量光强的变化量，转换成电信号放大即得到声音的电信号2.2光纤麦克风的传感器探头的结构设计外壳声音PINLED图4光纤麦克风探头结构示意图光纤传感探头是光纤麦克风设计的关键光纤传感探头由探测器和传感两部 分组成，也即由入射光纤和出射光纤两部分组成一般反射式光纤传感探头有光 纤束、单光纤和双光纤型形成这诸多形式的-•个重要原因是为了寻求这种强度 型光纤传感器的光路补偿以减少测量误差，但是考虑到光纤束型不便于信号的 远距离传输，双光纤型实验操作起来难于实现两光纤完全对称性，所以我们采用 了单根多模反射式光纤传感探头结构的形式，既增加接收光通量，乂易于实现实 验操作［6〕。

这种光纤传感探头的基本结构如上图4所示，发光二极管发出的光由Y型耦合 器传送至测量光纤，再投射到反射膜上，经反射膜反射后部分被重新耦合进入测 量光纤，再经耦合器和接收光纤输出，由PIN管接收外界声压使弹性膜片受迫 振动，从而对反射回测量光纤中的光线进行调制图3中的系统采用的反射膜是 由厚度很薄的聚酯薄膜而制成的，该镀层对近红外光的反射率很高测量光纤是 利用Y型耦合器的单臂发射光纤接收光纤图5测量原理示意图弹性膜片2.3光纤麦克风中重要元件的说明：(1) 光源发光二极管LED是低速、短距离光波系统中常用的光源它所发出的光是非相干 光，其具有较宽的频谱(30-60 nln)和较大的发射角与半导体激光二极管LD 相比，结构简单、价格低廉因而一般选用它作为光源2) 光电探测器光探测器是一种光电信息转换器件，在光纤系统中，光探测器的作用是将光纤传 来的光信号功率转换为电信号电流PN光电二极管的响应时间只能达到10〜7s, 对于光纤系统的光探测器，一•般要求响应时间小于10〜8s,因而为了提高响应速 度、降低扩散的影响，我们采用PIN光电二极管作为光接收器3) 光纤耦合器光纤耦合器是实现光信号分路、合路得功能器件，一般是对同一•波长的光功率进 行分路或合路。

光波系统中多模光纤做成的耦合器，通常有两种形式，-•种是拼接式，另一种是熔融拉锥式，我们采用的是Y形熔融拉锥式的1x2耦合器4) 光源验动电路光源在光路中的作用如同电源在电路中的作用，光源的稳定准确度在很大程度上 决定了光纤传感器的准确度，因此为保证光源的恒亮度和低噪音，在其驱动电路 的设计中采用恒亮度控制电路额噪声抑制电路5) 光纤在光路总体设计中，我们使用标准的62.5 / 125/〃〃多模石英光纤作为光路的传输介质，它与光源的耦合效率较高6) 振动膜要求厚度很薄，质量轻、低频响应能力好在反射膜外镀金属的选用上，要考虑 到外镀金属，要求反射率越高越好三光纤麦克风的应用与其他传感器相比，光纤传感器除了具有良好的抗电磁干扰能力、体积很小、 设计也很简单、灵敏度非常高，而且光纤本身的损耗是非常低的，还有光纤具备 耐腐蚀、耐高温、高压、安全可靠等等优点外，它在压力、位移、速度、温度等 物理量的测量中也具有独特的性能比如说病人在CT机环境下要与医生进行联 系时，光纤麦克风就能起到很好的作用，而其他类型的传声器就很难做到了与其他类型的麦克风相比，光纤麦克风采用的是独特的光学技术和微电机系 统MEMS结构的声震动换能技术及信号处理技术，对声音和振动进行传感，具有 电容式麦克风等诸多传统麦克风不具备的优异性能：1. 优异的抗电磁干扰(EMC)性能、优异的声音精度；2. 可以远距离通话、监控，具有极高的灵敏度；3 .非常宽的音频响应范围0.5Hz-lOKHz；4. 寿命长、可靠性高；5. 极小的体积、极轻的重量，携带起来方便，。