Y型单束多模反射式光纤麦克风的研制
李军1 吴宗汉1 ,2 张明德 2徐海英2
1） 深圳豪恩电声科技有限公司 2） 东南大学
摘 要：本文阐述了首次采用Y型单束多模反射式光纤麦克风的研制开发，文中不仅叙述了这种新型反射式光纤麦克风的理论设计，数字模型，相互实验结果，也介绍了光纤麦克风的结构，及相应的实验室样品性能。
关键词：光纤麦克风，单束多模光纤麦克风，反射式光强调制
引言
本文是在有关文献的基础上1，2，3，首次采用了Y型单束多模反射式光纤传感探头的形式，研制出了国内第一只Y型单束多模反射式光纤麦克风，该麦克风放入声场后，在外声场声讯号的声压作用下，它调制光信号，在通过解调可将声讯号拾取出来，由于采用的是反射式光强调制形式，它可以避免透射式光强调制方式，因探头结构复杂而导致的振膜的响应速度不够快的问题，从而提高了光纤麦克风的灵敏度而提高其声------电转换性能。这种新型的麦克风可以用于EMI要求严格的场合，如机场的通讯，NMR中的医患交流等多种场合，更可以进一步发展用于一些特殊用途场合。
1 光纤麦克风的工作原理
光纤麦克风是建立在反射式强度型光纤传感器基础上的，它的基本结构是有光源，光纤传感探头和作为光电转换元件的光接收器所组成。其工作原理是选用发光二极管作为光源，通过光纤入射到有金属涂层的振动膜上，当声音信号使振膜振动时，入射光被振膜振动调制后反射出去。接收光纤接收反射光，解调后则可以还原成声讯号。
光纤麦克风系统的整体框图，如图（1）所示
虽然反射式光纤麦克风的工作原理很直观，易理解，但准确的理论分析却难以作出，而且光纤传感探头的选择对整个系统的工作尤其重要。我们深入研究了工作特点，从传感探头入手建立了精确的理论模型。下面我们就对强度型反射式光纤麦克风传感探头的结构进行设计并对它的强制特性理论进行分析。
1） 光纤传感探头的结构设计
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器两个部分组成，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。形成这诸多形式的一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，所以我们首次采用Y性单根多模反射式光纤传感探头结构的形式，即增加接收光通量，又易于实现实际操作。
这种探头的基本原理如图2所示。它是建立在双光纤理论基础上，由光源发出的光，耦合进传光束的一个分叉端B之后，由端面A上的接收光纤接收，所接收到的光功率信号的强度与传光束端面至膜片的距离有关，也即与膜片与声压强弱（声压下膜片的变形）有关。经由膜片所调制了的反射光功率信号，经由同一根光纤反射回来，传输至分叉端C，耦合至光接收器，获得与声压有关的输出信号。用这种特殊结构的传感探头来制作光纤麦克风，它将感受声音讯号，并把它传送给传感器的振膜和反射片上，反射膜随声讯号产生不同的倾斜，改变光纤端面和反射膜之间的距离，也就改变了进入接收光纤的光功率。由于反射膜的振动随声音讯号改变，由其反射而进入接收光纤的光功率变化反映了声音讯号的强弱，反射光线中的光信号经光电探测器转化为电信号，再经放大器放大，信号处理器滤波、整形，最后在显示器上显示电压。
2）探头理论模型
反射式传感探头的坐标分析系统如图3所示。在分析过程中，采用等效分析法。首先，画出接收光纤关于反射体的镜像。然后利用投射分析法，直接计算出该镜像接收光纤在发送光纤纤端光场中的反射率R，作为实际系统的等效结果。
对于多膜光纤来说，其纤端出射光场的场强分布如文献[4]所述：
，式中 为纤端光场中的位置（x,y,z）处的光通量密度，I0为由光源耦合入发射光纤中的光强， 为一表征光线折射率分布的相关参数，对于阶跃折射率光纤 为光纤芯半径， 位于光源种类及光源跟光纤耦合情况相关的调制参数， 为光纤的最大出射角。如果将同种光纤置于发送光纤纤端出射光场中作为探测接收器时，所接收到的光强可表示为
，
式中： ,这里S为接收面，即纤芯面。
在纤端出射光场的远场区，为简便计，可用接收光纤端面中心点处的光强来作为整个纤芯面上的平均光强，在这种近似下，得到在接收光纤终端所探测到的光强公式为：
(1)由图3分析知道镜像光纤端面中心点的坐标值为F(2z,0)，将其带入公式（1）并乘以反射体的反射率R即得到其特性调制函数：
式中 为光纤面积。由此式我们给出了理论分析光强特性调制曲线，如图4所示。
从图4中可以看到，在这种单光纤反射式探头结构中，其调制特性曲线峰值的前沿消失了，这是因为此时单根光纤同时具有发射和接收两种功能。当光纤与目标非常接近时，反射光仍能返回同一光纤。直到探头与目标接触时，入射光强几乎被全部反射回来，接收到的光强值达到最大。
2 光纤麦克风的研制
在图1中我们已经介绍了我们设计的光纤麦克风的基本机构，下面再将相关部分作出说明。
（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。它所发的光是非相干光，具有较宽的频谱（30－60nm）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。故选用它作为光源。
（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，研制中我们采用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/合路功能的器件。一般对同一波长的光功率进行分路或合路。光波系统中多膜光纤做出的耦合器，通常有两种结构形式，一种是拼接式，另一种是熔融拉锥式，我们采用的是Y形熔融拉锥式的1*2耦合器。
（4） 光源驱动电路
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声，在其驱动电路的设计中采用恒亮度控制电路和噪声抑制电路。
（5） 光纤
在光路总体设计中，使用标准的62.5/125微米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） 系统结构框图其他元件仪器说明
本系统采用的震动膜要求厚度很薄，质量轻、低频响应能力较好。考虑到反射膜测压范围变化较小，而波纹膜片特别适合与大压力和小压力的测量中。因而我们可行性实验选用波纹膜片。另外，在研制过程中，我们可以通过更换不同膜片的方法来进行多次测量，从而确定最佳状态时的膜片厚度。
在反射膜外镀金属的选用上，考虑到外镀金属要求反射率越高越好，我们采用材料钛铝或镍。
制成的样品如图5所示
图5 豪恩电声研制出的样品
从实测可知，该款样品可以实用。
3 结语
本文不仅从理论上对光纤麦克风的整体结构进行了分析，并给出新型探头设计方案还对其调制函数进行分析，在探头设计中采用Y形单根多模反射式光纤传感探头的结构形式，结构简单，易于操作，实用性强。为在声场（即压力）中具体实现光纤麦克风功能保证了可行性。而且，从研制样品的性能来看，它已可以付之实用。下一步我们将进一步使其微型化、集成化，并再开发其他用途。
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[8] 乐孜纯。微弯光纤压力传感器变膜片研究『J』，光学精密工程。1994，2（3）
[作者介绍]
李 军：深圳豪恩电声科技有限公司
吴宗汉：深圳豪恩电声科技有限公司
张明德：东南大学
徐海英：东南大学
