一种用于提高光纤声传感器灵敏度一致性的开槽拾音器

本发明涉及一种用于提高光纤声传感器灵敏度一致性的开槽拾音器，属于光纤传感。

背景技术：

1、光纤声传感以光为敏感信息的载体，以光纤当作传递敏感信息的媒质，兼具光纤和光学测量的优点。应用于光纤声传感的光纤传感技术最早以光纤水听器的形式出现，相比于传统的声传感器具有电绝缘性能好、灵敏度较高、几何形状容易改变、抗腐蚀、防爆、抗干扰能力强等优点。

2、光纤声传感器由于本身具有灵敏度较高、可抵御恶劣环境、抗电磁干扰等突出优势，在军用和民用领域均得到广泛运用，具有广阔的应用市场。目前，光纤声传感技术主要应用于水声探测、光纤陀螺进行姿态控制、结构损伤探测、周界安防系统等场景。随着光纤声传感技术的不断发展，得益于光纤传感器独特的环境耐受性，使其应用领域不断向极端恶劣环境拓宽，特别是在周界安防领域，需要光纤声传感器能够以较高灵敏度感知外界信息，并通过信号分析与处理完成声源定位和识别。这就要求声传感器具备更高的灵敏度、更好的稳定性和更强的环境适应性。当前，用于光纤声传感的传感器多采用光纤环直接探测获取声音信号，或者利用复杂的生敏材料制作拾音器结构实现高灵敏度的声音传感。然而，上述第一种方法无法实现高灵敏度，后者则由于结构复杂，环境耐受力差，很难在温差变化剧烈、环境湿度大、风沙侵蚀强烈等恶劣环境下稳定工作。同时，当前主要的光纤声传感技术都存在受拾音结构共振频率限制，频率响应范围窄的问题，难以实现在较宽频率范围内对不同声源的探测和识别。因此，兼具高灵敏度、宽频率响应范围和优异的野外环境工作稳定性的光纤声传感器成为限制当前光纤声传感技术向更广阔应用领域发展的技术难题。

3、综上，在恶劣环境下实现高灵敏度、宽频率响应范围和高稳定性的光纤声传感技术研究成为当前光纤声传感技术研究中亟待解决的关键问题。

技术实现思路

1、本发明的发明目的是针对在智慧边防、自然保护区防护、重要设施保护等场景下，利用不受电磁干扰，具备耐腐蚀特性的光纤构成传感器，实现对环境声音高灵敏度和宽频响范围的探测，进而实现对声源的定位和识别，具体是解决以下三个技术问题：

2、一、提高光纤声传感器对声音信号响应的灵敏度，为远程声源定位和识别提供可能；

3、二、提升光纤声传感器对声音频率响应范围过窄的问题，使得对声音的探测范围扩大，能够实现对更多发声物体的探测和识别；

4、三、使得光纤声传感器能够在极端恶劣环境，诸如高原边防线、偏远自然保护区等环境下能够长期稳定工作。

5、本发明实现其发明目的所采取的技术方案是：一种用于提高光纤声传感器灵敏度一致性的开槽拾音器，其结构特点是：所述开槽拾音器包括空心的弹性体筒和缠绕在弹性体筒外壁的光纤，所述弹性体筒由钛合金制成，弹性体筒外壁上开有长边方向与弹性体筒轴向一致的长方形槽，所述长方形槽数量为两个或四个，在弹性体筒上对称分布；所述弹性体筒的直径为70-110mm，壁厚为3-6mm，高度为80-120mm，长方形槽的长度为10-80mm，宽度为5-20mm。

6、进一步，本发明所述长方形槽数量为四个。

7、进一步，本发明所述弹性体筒的直径为110mm，壁厚为3mm，高度为120mm。

8、进一步，本发明所述长方形槽的长度为70mm，宽度为20mm。

9、进一步，本发明所述长方形槽位于弹性体筒轴向方向的中间位置。

10、进一步，本发明所述弹性体筒底部固定，光纤均匀致密缠绕于距离弹性体筒上端10-16mm，距离弹性体筒下端70-84mm的位置处。

11、更进一步，本发明所述开槽拾音器还包括传感器底座，传感器底座上设置有固定弹性体筒的弹性体筒槽，弹性体筒底部固定于传感器底座上。

12、进一步，本发明所述开槽拾音器还包括传感器保护罩，传感器保护罩采取抗腐蚀金属材质，顶端采用尖顶模式，侧壁留有大量直槽型通孔。

13、采用抗腐蚀金属材料使其能在恶劣环境下长期稳定工作，顶端采用尖顶模式可以避免顶部积水而造成的损坏，侧壁大量直槽型通孔可以保证声压能够传导至传感器。

14、进一步，本发明所述缠绕在弹性体筒外壁的光纤为单模石英光纤的裸纤。

15、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

16、一、弹性体筒在声场环境中，由于声压的作用产生形变，拉伸其外壁光纤而产生应变，从而引起光纤中传播光的相位变化，进而引起光程差变化，最终导致干涉光强的变化，使得探测到的光强信息携带了声压信息。引入开槽的弹性体筒，使得弹性体筒在声场下发生更大形变，从而传递到缠绕在其外壁的光纤上引起光纤中传输信号光的较大的相位改变，进而引起光程差变化，改变输出的干涉光强，声音探测的灵敏度将大幅度提升。

17、二、开槽弹性体筒在声压作用下形变的过程中，在不同的声音频率下，其形变的频率与声音频率具有一致性，因此，干涉光强也同时携带声音的频率信息，为声音的识别提供了可能。不开槽弹性体筒的共振频率和光纤环的共振频率差别较大，在非共振频率声音响应极低，会在共振频率与光纤环共振频率处分别形成突变，而开槽设计调整弹性体筒共振频率使其与光纤环共振频率接近，形成互补，拓宽频率响应范围，同时也提升非共振频率处的声音响应灵敏度，达到提高光纤声传感器灵敏度以及拓宽频率响应宽度。

18、下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。

技术特征：

1.一种用于提高光纤声传感器灵敏度一致性的开槽拾音器，其特征在于：所述开槽拾音器包括空心的弹性体筒和缠绕在弹性体筒外壁的光纤，所述弹性体筒由钛合金制成，弹性体筒外壁上开有长边方向与弹性体筒轴向一致的长方形槽，所述长方形槽数量为两个或四个，在弹性体筒上对称分布；所述弹性体筒的直径为70-110mm，壁厚为3-6mm，高度为80-120mm，长方形槽的长度为10-80mm，宽度为5-20mm。

2.根据权利要求1所述的一种用于提高光纤声传感器灵敏度一致性的开槽拾音器，其特征在于：所述长方槽数量为四个。

3.根据权利要求1或2所述的一种用于提高光纤声传感器灵敏度一致性的开槽拾音器，其特征在于：所述弹性体统的直径为110mm，壁厚为3mm，高度为120mm。

4.根据权利要求1或2所述的一种用于提高光纤声传感器灵敏度一致性的开槽拾音器，其特征在于：所述长方形槽的长度为70mm，宽度为20mm。

5.根据权利要求1或2所述的一种用于提高光纤声传感器灵敏度一致性的开槽拾音器，其特征在于：所述长方形槽位于弹性体筒轴向方向的中间位置。

6.根据权利要求1或2所述的一种用于提高光纤声传感器灵敏度一致性的开槽拾音器，其特征在于：所述弹性体筒底部固定，光纤均匀致密缠绕于距离弹性体筒上端10-16mm，距离弹性体筒下端70-84mm的位置处。

7.根据权利要求6所述的一种用于提高光纤声传感器灵敏度一致性的开槽拾音器，其特征在于：所述开槽拾音器还包括传感器底座，传感器底座上设置有固定弹性体筒的弹性体筒槽，弹性体筒底部固定于传感器底座上。

8.根据权利要求1或2所述的一种用于提高光纤声传感器灵敏度一致性的开槽拾音器，其特征在于：所述开槽拾音器还包括传感器保护罩，传感器保护罩采取抗腐蚀金属材质，顶端采用尖顶模式，侧壁留有大量直槽型通孔。

9.根据权利要求1或2所述的一种用于提高光纤声传感器灵敏度一致性的开槽拾音器，其特征在于：所述缠绕在弹性体筒外壁的光纤为单模石英光纤的裸纤。

技术总结
一种用于提高光纤声传感器灵敏度一致性的开槽拾音器，所述开槽拾音器包括空心的弹性体筒和缠绕在弹性体筒外壁的光纤，所述弹性体筒由钛合金制成，弹性体筒外壁上开有长边方向与弹性体筒轴向一致的长方形槽，所述长方形槽数量为两个或四个，在弹性体筒上对称分布；所述弹性体筒的直径为70‑110mm，壁厚为3‑6mm，高度为80‑120mm，长方形槽的长度为10‑80mm，宽度为5‑20mm。本发明可提高光纤声传感器对声音信号响应的灵敏度，解决光纤声传感器对声音频率响应范围过窄的问题，实现恶劣环境下声音的探测、定位和识别。

技术研发人员：陈建君,唐瑞希,王江,王宁,朱永
受保护的技术使用者：西华师范大学
技术研发日：
技术公布日：2024/10/14