初赛方案《基于迈克尔逊干涉仪的干涉型次声监测装置》.doc

基于迈克尔逊干涉仪的干涉型次声监测装置参赛学生：指导老师： 摘要：在现今信息领域中次声波是值得研究的一种信号，由于次声波的频率低的特殊性，所以获取次声的相关信息需要相应的检测装置干涉式次声监测装置创造性的结合了简谐振动、迈克尔逊干涉原理以及多普勒效应，利用普通大学实验室均具有的迈克尔逊干涉仪进行改装，将其一臂反射镜改装为带反射镜的振动膜片，膜片感应声压变化从而发生振动，进而改变干涉仪两臂光程差，最终导致干涉光斑强度发生变化从而获得次声波物理量关键词：次声波 迈克尔逊干涉仪 光电效应 matlab- 14 -目 录第一章 引言 - 1 -1.1 环境次声监测装置的研制背景 - 1 -1.2 次声传感器的发展与现状 - 1 -1.3 干涉式环境次声监测装置的研制目的及意义 - 3 -第二章 干涉式次声传感器的理论与原理 - 4 -2.1 声学测量的基本理论 - 4 -2.2 振动膜片运动原理 - 6 -2.3 迈克尔逊干涉仪原理 - 6 -2.4 干涉式次声监测装置原理 - 8 -2.5 本章小结 - 10 -第三章 环境次声监测装置框架与实现 - 11 -3.1系统框架 - 11 -3.2 系统实现 - 11 -第四章 干涉式次声传感器的仿真分析 - 15 -4.1 实验仿真 - 15 -第五章 实验数据处理与分析 - 20 -5.1 实验数据 - 20 -5.2 波形分析 - 21 -第六章 总结 - 23 -附录： - 24 -基于迈克尔逊干涉仪的干涉式次声监测装置第一章 引言1.1 环境次声监测装置的研制背景通常在声波的频段划分中，把振动体所发出的频率低于20Hz的声音称作次声，正常人耳听不到这些声音，所以，次声长期以来没有引起人们的注意。

但次声普遍存在于各种工业环境、交通环境、自然环境及生活环境中，它传播远、衰减小、穿透力强，一般的障碍物很难将次声挡住，而且随传播距离的增加衰减极小，在不同的媒介中均是如此由于这些特性，次声的应用越来越广例如监测地震的发展状况、监测固体内部瑕疵、甚至可以利用人体内脏器官共振频率在次声频率范围内的特点制造次声武器等次声波的特性决定了其巨大的发展前景，利用次声的前提是掌握次声波的各种特性，环境次声监测装置的研制为次声的发展奠定了有力的基础1.2 次声传感器的发展与现状早在19世纪，人们就已记录到了自然界中一些偶发事件(如大火山爆发或流星爆炸)所产生的次声波其中最著名是1883年8月27日，印度尼西亚的喀拉喀托火山突然爆发，它产生的次声波传播了十几万公里，当时用简单微气压计都可以记录到它在理论方面，最早在1890年，英国物理学家瑞利就开始了大气振荡现象的研究　　第一次世界大战前后，火炮和高能炸药的出现，提供了较大的声源，促进了对次声在大气中传播现象的了解在20世纪20年代还进行了高层大气的温度和风对次声传播影响的研究，并建立了探测高层大气的简单声学方法，为此还研制了灵敏度更高的微气压计、热线式次声传声器。

30年代发展了电容次声传声器40年代后，利用声波在大气中的传播速度与温度的均方根成正比关系的原理，提出了火箭-榴弹次声法测定高层大气温度和风速的方法，发展了次声接收和定位的新技术核武器的发展对次声学的建立起了很大的推动作用，使得次声接收、抗干扰方法、定位技术、信号处理和次声传播等方面部有了很大发展核爆炸会形成强大的次声源，它产生的次声波在大气中可以传插得非常远，次声方法曾成为探测大气中核爆炸的主要方法之一为此建立了许多次声观察站，进行了长时期连续记录和观察人们还发现了大气中存在许多自然次声源，对它们的发声机制和特性进行了初步的了解目前应用较为广泛的次声传感器主要为电容式次声传感器及光纤式次声传感器1.2.1电容式次声传感器 电容式次声传感器利用调幅原理测量换能用传声器的慢变化，将次声传感器中的声顺元件作为电容电桥的一臂，输入端接一等幅高频电压，当次声波作用于膜片上时，膜片随着声压的变化而产生位移，引起平板电容器电容量的变化，从而改变了电容电桥的平衡，输出端即可得到受电容变化调制的调幅波，调幅波经电压放大后送入调制解调器，就可得到低频电信号，实现对次声波的检测电容型的不足之处是: 要求结构精细,设计严密,选材严格,特别是加工精度非常高,主要零件都要求超精加工。

此外,为保证长期稳定性,要选用最好的绝缘体,系统内还要求超高洁净度等而且这类电参量传感器抗电磁干扰能力差，在易燃易爆环境下有潜在危险使其性能和使用受到很大限制1.2.2光纤式次声传感器光纤式传感器基于独特的光纤传感技术，一个光束通过光纤被传送到硅膜上，声音信号引起薄膜振动改变被反射的光的特征，然后被转换为电信号它具有低于1个赫兹和高达10,000赫兹的频率响应范围而且FOM具有高的信噪比，谐波失真（THD）的频率带宽，能够在复杂的环境中使用等优点由于光纤式传感器是一种无源器件并且不含电子或金属成分，它对电磁干扰反应不起任何的作用但光纤式传感器对技术要求较高，性价比低1.3 干涉式环境次声监测装置的研制目的及意义次声波的特性决定了其巨大的发展前景，为了让学生掌握次声各参数的测量，需设计出一种便于教学演示和学生操作且具有较高性价比的次声检测装置通过对现有次声传感器的综合比较，它们均存在着不便于教学演示、制作工艺复杂以及性价比较低等缺点为此，我们设计了以迈克尔逊干涉仪、振动膜片、激光、光电二极管为基础元件的干涉式次声传感器干涉式次声传感器利用实验室现有的迈克尔逊干涉仪加以改装，物理思想清晰易懂，易于实现，在具有较高精度的同时又便于教学演示及学生动手操作，具有重要的研究意义。

第二章 干涉式次声传感器的理论与原理2.1 声学测量的基本理论2.1.1频率、波长和声速次声是频率低于可听声频率范围的声它的频率范围大致为10-5Hz ～20Hz，波长较长，传播距离远它的产生和声波相同，都是由于物质(或物体)的机械性振动次声在本质上与可听声和超声没有区别，空气中的传播速度为340m/s其频率（f）、波长（）和声速（v）满足关系式：2.1.2声强声强是衡量声音强弱的一个物理量声场中，在垂直于声波传播方向上，单位时间内通过单位面积的声能称做声强，即单位面积上所承受的声波的功率数声强常以I表示，单位为(w/)声强实质是声场中某点声波能量大小的度量，声场中某点声强的大小与声源的声功率、该点距声源的距离、波阵面的形状及声场的具体情况有关通常距声源愈远的点声强愈小，若不考虑介质对声能的吸收，点声源在自由声场中向四周均匀辐射声能时，距声源r处的声强为式中I为距点声源为r处的声强(w/)；W为点声源功率（w）若S表示包围声源的封闭面面积，声功率W和声强I的关系为式中是声强在微元面积dS法线方向的分量2.1.3声压目前，在声学测量中，直接测量声强较为困难，故常用声压来衡量声音的强弱声波在大气中传播时，引起空气质点的振动，从而使空气密度发生变化。

在声波所达到的各点上，气压时而比无声时的压强高，时而比无声时的压强低，某一瞬间介质中的压强相对于无声波时压强的改变量称为声压，记为p(t)，单位是Pa声音在振动过程中，声压是随时间迅速起伏变化的，因为瞬时声压有正负值之分，所以有效声压取瞬时声压的均方根值式中是T时间内的有效声压，p(t)为某一时刻的瞬时声压通常所说的声压，若未加说明，即指有效声压，若，，分别表示两列声波在某一点所引起的有效声压，该点迭加后的有效声压可由波动方程导出，为声压是声场中某点声波压力的量度，影响它的因素与声强相同并且，在自由场中多声波传播方向上某点声强与声压、介质密度ρ存在如下关系2.1.4声压级与声强级声压和声强一样，都是采用以10为底的对数标度来度量的，即声压级与声强级，单位都是分贝（dB）声压级的符号是，定义为式中，为待测声压的有效值；为基准声压，是频率在1000Hz时，人耳能听到的声压在空气中，其值定为声强级的符号为LI，其定义为式中为待测光强；为基准声强空气的特性阻抗 ，此时 可以证明，声压级和声强级在数值上是基本相等的2.2 振动膜片运动原理 当空间中次声波为单一频率的声波时，其瞬时声压为膜片在次声波驱动下所受驱动力其中是膜片的等效受力面积。

膜片横向加速度所以，对加速度二次积分解得膜片运动方程为膜片振幅为：2.3 迈克尔逊干涉仪原理迈克尔逊干涉仪是一种所谓“增量法”测长的仪器，它是把测量反射镜与被测对象固联，参考反射镜固定不动，当测量反射镜随被测对象移动时，两路光束的光程差即发生变化，干涉条纹也将发生明暗交替变化若用光电探测器接收，当被测对象移动一定距离时，条纹亮暗交替变化一次，光电探测器输出信号将变化一个周期，记录下信号变化的周期数，便确定了被测长度迈克尔逊干涉仪的光路原理图如图2.1所示，扩展光源S发出的光波被分光镜分成两路，构成互相垂直的两臂，其中一束光经参考反射镜反射，透过进入接收系统，另一束光透过补偿板，由测量反射镜反射后原路返回，在经反射后进入接收系统，与另一束光干涉如果画出经所成的镜像，则上述干涉叠加可等效为由和形成的空气薄膜的两束光干涉图中光电探测器D接收的光强为:式中、分别为测量光束和参考光束光强; 为两光束之间的光程差; 为激光光波中心波长当测量反射镜移动长度L时，测量光束与参考光束两光束之间的光程差变为此，此时光电探测器接收的光强信号为:式中;n为干涉仪测量臂在相应介质中的介质折射率，空气折射率约为1。

当被测物理量发生变化时，会使测量反射镜产生相应的位移变化，这样光电探测器所接收的光强信号就会发生改变，通过检测所接收光强信号改变量的多少就可得到被测物理量的变化信息2.4 干涉式次声监测装置原理激光光光电二级管本装置的实现是通过对实验室现有的迈克耳孙干涉仪进行改装,将原参考反射镜改装为带有反射镜面的振动膜片，作为次声感应模块固定位置，使作为参考反射镜因为干涉光强，假定迈克尔逊干涉仪中两臂光强，令，则两束单色光的相干叠加后强度随相位差的变化为当振动膜片在次声波驱动下振动时，光程差代入上式装置利用光电二级管接收光强变化，输出电信号正比于所接收到的光强，输出信号经信号放大、电压偏移、低通滤波后，随振动膜片位置变化为此时，输出信号V与时间t关系为设输出信号V频率为，则有两边对时间求导，得由上式可知，当膜片振动频率不变时，为随时间做余弦变化的周期函数，在膜片振动一个周期内，出现两次极大值/极小值，两次极大值/极小值之间时间间隔即为振动膜片振动半周期膜片位置从变化到的过程中，设输出信号极大值出现次数为，即从到的过程中的次数为，则有所以在计算出膜片振动周期后，即可计数得到一个周期内电压峰值出现次数又瞬时声压与振动膜片振幅的关系为则单一频率的声波，其声压按正弦规律变化有效声压声强一般计算中取空气的特性阻抗2.5 本章小结本章主要论述了声波频率、声强、声压与改装后迈克尔逊干涉仪振动膜片振动间的关系，推导出次声波频率与测得电信号频率的关系式，为随时间做余弦变化的周期函数，在膜片振动一个周期内，出现两次极大值/极小值，两次极大值/极小值之间时。