[发明专利]一种基于激光横向位移探测声信号装置及其方法

权利要求书

1.一种基于激光横向位移探测声信号装置，其特征是：包括激光器(1)、第一高反镜(2)、第二高反镜(3)、聚焦透镜(4)、波片(5)、分束器(6)、光功率计(7)、第三高反镜(8)、聚焦透镜(9)、镀金大振膜(10)、四象限探测器(11)、PC端显示器(12)、NI采集板卡(13)、信号源(14)、喇叭(15)、示波器(16)；其特征在于：所述1064nm的光纤激光器(1)置于平台上，将其携带的光学耦合头固定，在激光器(1)出光的同一方向的直线上放置第一高反镜(2)，放置角度与光路方向呈45度角，光的位置在第一高反镜(2)的中心，第一高反镜(2)反射光路距离在其20cm处放第二高反镜(3)，使光路45度入射到第二高反镜(3)，光的位置在第二高反镜(3)的中心，在第二高反镜(3)的反射光路方向依次放置聚焦透镜(4)、波片(5)、分束器(6)，第三高反镜(8)，在分束器(6)的光学中心垂直于光路的方向放置光功率计(7)，第三高反镜(8)的放置在分束器(6)后面，第三高反镜(8)与这条路上的前端的光路呈45度角，在经过第三高反镜(8)后的光路方向上安装聚焦透镜(9)与镀金大振膜(10)，所述镀金大振膜(10)与前端的光路呈45度角，所述四象限探测器(11)安装在光路经过镀金大振膜(10)反射后的光路的方向上，并用三根BNC线缆将四象限探测器(11)的x，y，sum的输出连到示波器的(16)的输入端口，再通过BNC线将四象限探测器(11)的x通道输出到NI板卡(13)的采集端口，NI板卡(13)与PC显示器(12)连接；喇叭(15)的纸盆朝向镀金大振膜放置，使两者的中心在一条直线上；用BNC线与信号源(14)的CH1输出端口相连。

2.使用权利要求1所述的基于激光横向位移探测声信号装置进行探测声信号的方法，其特征是：步骤如下：

步骤1：激光器(1)出来的光通过第一高反镜(2)、第二高反镜(3)进行光路准直后通过聚焦透镜(4)聚焦，波片(5)、分束器(6)进行分束，一束打进光功率计(7)监测光功率的稳定性，另一束经过第三高反镜(8)反射、聚焦透镜(9)聚焦后打到镀金大振膜(10)中心；通过信号源(14)输出单频信息或扫频信息驱动喇叭(15)使镀金大振膜(10)表面振动，使其反射面上由于受迫振动携带有振动源的信息；

步骤2：准直和聚焦激光器(1)出来的高斯光束，调整系统中的第一高反镜(2)、第二高反镜(3)的左右和俯仰，在示波器上观测由四象限探测器(11)x,y,sum对应的三个输入通道的变化，调整致x，y通道不突变，sum为光全部打到探测器光敏面的光电流大小，此时光全部打到了四象限探测器(11)的光敏面上，调整过程先将激光挡住用示波器(16)的光标标定x,y原始位置，再观测不挡光时x,y恢复到光标的位置，sum在示波器(16)显示其光功率的sum为光全部打到探测器光敏面的光电流大小；

步骤3：经过镀金大振膜(10)反射的光携带了声源的信息，反射光由四象限探测器(11)接收采集并转化为电信号，同时用BNC线缆将四象限探测器(11)的x通道输出到NI板卡(13)的采集通道，并将结果显示在与NI板卡(13)连接的PC显示器(12)观测采集到的数据；

步骤4：当一束光以45角入射时，镀金大振膜(10)受迫振动导致光束在空间的横向位置发生变化，在某一时刻镀金大振膜(10)的垂直于其表面的振动方向上的位移为z，四象限探测器(11)可以通过光电转换出光束的横向位移，镀金大振膜(10)的振动位移为z与光束光束的横向位移相等；

步骤5：对光束的横向位移和镀金大振膜(10)的振动位移z关系进行解释，Q为NI板卡(13)显示在PC显示器(12)上的采集单频信号时的峰值点处的噪声功率谱的绝对值，噪声功率谱的绝对值反应光束横向位移的信息，d＝q*10^j*Q/20-1为镀金大振膜(10)振动位移z公式，q，j当测量系统的基本框架确定后为确定值，将Q带入可求出d；

步骤6：所述产生单频信号的喇叭(15)为声源，喇叭(15)振动产生的声压与其由信号源(14)输入的驱动电压成正比，p＝k*U，其中p为喇叭的声压，U为喇叭的驱动电压，k为声源的增益；根据步骤4所述方法，从图4拟合处的线型，计算得到的d与喇叭(15)驱动电压成近似正比关系，得出镀金大振膜(10)的位移z与声源喇叭(15)的驱动电压成近似正比例关系，也就是镀金大振膜(10)的位移z与声源喇叭(15)的声压成近似正比例关系。从而能获知目标的声学振幅特征；

步骤7：镀金大振膜(10)的振动原理，受迫振动为利用周期性外力(声压)作用于系统，维持系统振动，其中驱动力频率为驱动力(声压)对应的频率，固有频率为系统不受外力时振动的频率，固有频率是系统的固有属性；振膜面上任意一点的振动方程如下：

质点的振动方程：

可以得出只要声源驱动的时间足够长，让振动频率等于驱动力频率,可以达到稳态；

稳态的振动方程：

ξ＝ξ_mcos(ωt-θ)(2)

振幅ξ_m不随时间变化，其镀金大振膜(10)的振动频率就是喇叭(15)的频率，镀金大振膜(10)的振动频率可以调制光，读取噪声功率谱最高的位置处的频率就可以还原出声源的频率信息；

步骤8：振膜的理论，用于优化反射面镀金大振膜(10)

振膜固有频率预紧力公式：

其中2.405根据第一类贝塞尔函数的根推导得出，T称为为单位厚度的面内力及预张力，h为薄膜的厚度，ρ为振膜材料的密度，hρ为单位面积质量，R为振膜半径；

直径和厚度是决定固有频率的因素，采用厚度h和半径R两个几何参数进行分析；两者都决定了基频f和膜片的中心变形y(p)；一般情况下，根据(4)，中心变形y(p)与响应灵敏度有关，灵敏度由S_d表示；

其中μ，E,f_n,h,R分别代表泊松比，杨氏模量，固有频率，膜片厚度，膜片半径；y(p)为圆形膜片的中心变形，f和p为声波的频率和声压，ζ为膜片振动的阻尼比；

频率f和中心位移y(p)相乘，得到

其中α和β是受膜片材料弹性模量、泊松比和密度影响的等效系数；在某一频率f下，根据式(5)，寻找引起中心适当变形y(p)的R和h值，相当于寻找R/h的合适比值。