基于光子檢測技術(shù)的聲傳感利用高靈敏度光子探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電信號,當(dāng)外部聲信號耦合形成聲-光-電傳感邏輯時,探測器可以實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)。極低的噪聲和高靈敏度使其提供了弱聲信號檢測的能力。結(jié)合高檢測效率和時間精度的優(yōu)勢,它在過去十年中吸引了廣泛的研究興趣,并在工業(yè)無損檢測、自然災(zāi)害預(yù)警、醫(yī)療健康診斷和光聲成像等應(yīng)用中顯示出巨大的潛力。
據(jù)麥姆斯咨詢報道,近日,由中北大學(xué)唐軍、劉俊教授領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合研究團(tuán)隊在Microsystems & Nanoengineering期刊上發(fā)表了題為“An ultrahigh sensitivity acoustic sensor system for weak signal detection based on an ultrahigh-Q CaF2 resonator”的論文,提出了一種基于超高Q值CaF?諧振腔的超高靈敏度聲傳感器系統(tǒng)。結(jié)合鎖頻技術(shù),當(dāng)Q值選擇為1.02 × 10?時,在10 kHz頻率下其靈敏度可達(dá)到11.54 V/Pa,高于其他光學(xué)諧振腔聲傳感器。所提出的聲傳感系統(tǒng)的最小可檢測聲壓級低至9.4?μPa/√Hz,在弱聲檢測、聲源定位、睡眠監(jiān)測和其他語音交互應(yīng)用領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用價值。
回音壁模式(WGM)光學(xué)諧振腔的超高品質(zhì)因數(shù)(Q)和小模式體積顯著增強(qiáng)了光與物質(zhì)的相互作用。重要的是,超高Q值對應(yīng)于極窄的傳輸光譜,通過檢測頻移或傳輸光譜展寬可以獲得更高的解析分辨率,理論上使其成為超高靈敏度聲傳感的優(yōu)秀平臺。此外,與傳統(tǒng)壓電效應(yīng)的電傳感器相比,它還具有抗電磁干擾的優(yōu)點(diǎn)。
從物理機(jī)制的角度來看,基于WGM諧振腔的聲傳感主要源于兩種機(jī)制:分散耦合響應(yīng)和耗散耦合響應(yīng)。分散耦合響應(yīng)是聲波通過機(jī)械效應(yīng)調(diào)制諧振腔的折射率和幾何形態(tài),導(dǎo)致諧振腔的諧振頻率發(fā)生偏移,其靈敏度達(dá)到280?mV/Pa。耗散耦合響應(yīng)是通過聲波調(diào)制使諧振腔的耦合條件發(fā)生變化,導(dǎo)致耦合損耗發(fā)生變化,從而使傳輸光譜線寬變寬或變窄。
高質(zhì)量的語音信號采集和重建,特別是在噪聲背景下進(jìn)行精確的語音識別,需要結(jié)合超高靈敏度、寬帶響應(yīng)和低噪聲的聲傳感器。特別是,聲傳感器在低頻帶具有高響應(yīng),因此迫切需要開發(fā)在寬頻率范圍內(nèi)具有超高靈敏度的聲學(xué)傳感技術(shù)。在所有WGM諧振腔中,氟化鈣(CaF?)晶體諧振腔具有獨(dú)特的優(yōu)勢。
一方面,在1550?nm處Q >?1011的CaF?諧振腔已被報道,這在理論上將聲學(xué)靈敏度提高了幾個數(shù)量級。通過進(jìn)一步靈活地調(diào)整CaF?諧振腔的結(jié)構(gòu),可以獲得有利于檢測弱聲信號的低噪聲等效壓力(NEP)。另一方面,CaF?諧振腔支持不同Q值的多種模式,通過鎖頻技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)超高靈敏度和寬動態(tài)響應(yīng)范圍的快速切換。
在本論文中,研究人員提出了一種基于超高Q值CaF?諧振腔的超高靈敏度聲傳感器系統(tǒng),利用其分散響應(yīng)機(jī)制檢測弱聲信號。結(jié)合實(shí)際加工工藝,通過結(jié)構(gòu)設(shè)計和驗(yàn)證,研究人員制造了半徑為5.0 mm、厚度為0.1 mm的CaF?諧振腔。在實(shí)驗(yàn)中,使用鎖頻技術(shù),選擇Q值為1.02 × 10?時,在10 kHz頻率下其靈敏度達(dá)到11.54 V/Pa。該結(jié)果高于其他光學(xué)諧振腔聲傳感器。
同時,CaF?諧振腔聲傳感器系統(tǒng)的最小可檢測聲壓級低至9.4?μPa/√Hz,顯著提高了檢測分辨率。該傳感系統(tǒng)具有36.4 dB的良好指向性和20?Hz–20?kHz的寬帶頻率響應(yīng)范圍,不僅可以實(shí)現(xiàn)以墻體為障礙物的遠(yuǎn)距離(9?m)語音信號采集和重建,還能在噪聲環(huán)境中準(zhǔn)確識別和分離多個語音。該傳感系統(tǒng)在弱聲檢測、聲源定位、睡眠監(jiān)測和其他語音交互應(yīng)用領(lǐng)域中具有重要的應(yīng)用價值。
圖1a顯示了“7”字形CaF?諧振腔聲傳感器系統(tǒng)的測量設(shè)置示意圖,其中包括可調(diào)諧激光器、隔離器、光電探測器(PD)、信號發(fā)生器(SG)、功率放大器(PA)、示波器(OSC)、PID控制器和鎖定放大器(LIA)。揚(yáng)聲器和諧振腔接收到的電壓信號如圖1b所示。圖1c顯示了諧振頻譜的偏移隨聲壓的變化(0.0–0.4?Pa)。
圖1 CaF?諧振腔聲傳感器的性能表征
不同頻率(0.7、6和10 kHz)、不同強(qiáng)度(從0.01到0.44 Pa)的聲學(xué)信號被施加到耦合系統(tǒng)以進(jìn)行CaF?諧振腔聲傳感器的性能評估,如圖2所示。
圖2 CaF?諧振腔聲傳感器的性能評估
矢量性是聲傳感器的靈敏度隨聲波方向變化的特性,通常用指向性圖表示,也是矢量聲傳感器區(qū)別于標(biāo)量聲傳感器的獨(dú)特特征。在測量矢量聲傳感器的方向特性時,旋轉(zhuǎn)裝置驅(qū)動揚(yáng)聲器沿水平軸旋轉(zhuǎn)360°,同時測量矢量傳感器在各個方向上的靈敏度,最終得到矢量傳感器的指向性圖。CaF?諧振腔聲傳感器的矢量和頻率響應(yīng)的表征如圖3所示。
圖3 CaF?諧振腔聲傳感器的矢量和頻率響應(yīng)的表征
音頻在不同的角度(0°、30°、60°、90°)和不同距離(10 cm和9 m)處分別播放以進(jìn)行語音采集測試,如圖4a所示。圖4b顯示了CaF?諧振腔聲傳感器在0–90°時的響應(yīng)曲線,在90°處其響應(yīng)幅值最大,隨著角度的逐漸減小,電壓幅值響應(yīng)也逐漸減小。圖4c、圖4d為CaF?諧振腔聲傳感器分別在10 cm和9 m距離處重建聲信號的時域圖和頻譜圖。由于傳感器系統(tǒng)的超高靈敏度和信噪比(SNR)、良好的線性度和寬帶頻率,重建的音頻信號可以對應(yīng)模擬聲音信號的每一節(jié)拍,并且傳感器系統(tǒng)在9 m的距離處仍然可以清晰地顯示音樂特征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分驗(yàn)證了該傳感器系統(tǒng)的超高靈敏度和微弱信號檢測能力。
圖4 不同角度(0°、30°、60°、90°)和不同距離(10 cm和9 m)處的語音采集測試與重建結(jié)果
CaF?諧振腔聲傳感器系統(tǒng)不僅可以檢測微弱信號,而且可以準(zhǔn)確地識別和分離多個聲音。研究人員將兩個不同的音樂片段同時作用于傳感系統(tǒng)的中心,以驗(yàn)證其區(qū)分不同聲音信號的能力。圖5a顯示了同時播放不同頻率音樂片段的情況,其中一個主要集中在100–1000 Hz,另一個主要集中在1–10?kHz。CaF?諧振腔傳感系統(tǒng)采集的頻率響應(yīng)圖如圖5b所示。實(shí)驗(yàn)是在一個含有各種不同的聲源的超凈室里完成的,包括各種儀器的工作噪聲、空調(diào)的聲音、一個相對高頻的雨水信號的聲音,如圖5c所示。傳感系統(tǒng)分離后得到的時域信號如圖5d所示,信號語音大約是環(huán)境噪聲的15倍。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,即使在有背景噪聲的實(shí)驗(yàn)室中,CaF?諧振腔聲傳感器系統(tǒng)仍然可以完成多個聲源的分離。
圖5 CaF?諧振腔聲傳感器系統(tǒng)在語音識別與分離中的應(yīng)用
綜上所述,在本研究中,研究人員提出了一種基于超高Q值CaF?諧振腔的超高靈敏度聲傳感器系統(tǒng)。當(dāng)諧振腔的半徑從2.0變?yōu)?.0 ?mm,厚度從1.0減小到0.1?mm時,由聲壓引起的諧振腔半徑的變化增加到1.13?×?10?? mm/Pa。相應(yīng)的諧振波長漂移也增加了兩個數(shù)量級以上,即3.5?×?10??? nm/Pa。結(jié)合鎖頻技術(shù),當(dāng)Q值選擇為1.02 × 10?時,在10kHz頻率下,其靈敏度可輕松達(dá)到11.54 V/Pa,高于其他光學(xué)諧振腔聲傳感器。同時,所提出的傳感系統(tǒng)的最小可檢測聲壓級低至9.4?μPa/√Hz,這顯著提高了檢測分辨率。該CaF?諧振腔聲傳感器系統(tǒng)具有36.4 dB的良好指向性和20?Hz–20?kHz的寬帶頻率響應(yīng)范圍,不僅可以實(shí)現(xiàn)以墻體為障礙物遠(yuǎn)距離(9?m)的語音信號采集和重建,還能在噪聲環(huán)境中準(zhǔn)確識別和分離多個語音。該器件的優(yōu)異性能使其在弱信號檢測中具有巨大的應(yīng)用潛力。
論文信息:
https://doi.org/10.1038/s41378-023-00540-0
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原文標(biāo)題:基于超高Q值CaF?諧振腔的超高靈敏度聲傳感器系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)弱聲信號檢測
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