本發(fā)明涉及光纖聽音、安防領(lǐng)域，特別是涉及一種基于瑞利散射的反饋式光纖空氣聽聲系統(tǒng)、裝置。

背景技術(shù)：

國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的電子聲音傳感器已經(jīng)較為成熟，但存在不抗電磁、射頻干擾等缺陷。應(yīng)用存在局限性。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有光纖聲音傳感器大致都處在實(shí)驗(yàn)階段，而且實(shí)驗(yàn)效果不太理想。從采用的光源形式上看,現(xiàn)有的光纖聲音傳感器實(shí)驗(yàn)主要采用半導(dǎo)體二極管作為發(fā)光光源,但半導(dǎo)體二極管發(fā)射譜線寬、在光纖中色散大、響應(yīng)速度低、發(fā)散角大、與光纖耦合效率低。用于光強(qiáng)調(diào)制的振動(dòng)膜片主要采用鍍鋁膜片,其靈敏度受到一定限制。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明主要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于瑞利散射的反饋式光纖空氣聽聲應(yīng)用的系統(tǒng)和方法。通過(guò)光纖中瑞利散射的反饋光的反射強(qiáng)度調(diào)制，利用理論推導(dǎo)和有限元分析的方法對(duì)輕質(zhì)薄膜進(jìn)行參數(shù)分析，得出振動(dòng)薄膜的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償法對(duì)光源功率變化、光纖傳輸損耗變化、電探測(cè)器的特性漂移和環(huán)境光等因素的影響進(jìn)行補(bǔ)償。能夠?qū)崿F(xiàn)空氣中聲音的精確監(jiān)聽，提高監(jiān)聽的準(zhǔn)確性。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的一個(gè)技術(shù)方案是：光纖振動(dòng)膜片的設(shè)計(jì)。

其中，所述振動(dòng)膜片設(shè)計(jì)的步驟包括：振動(dòng)膜片固定方式和材料選擇。首先，本發(fā)明振動(dòng)膜片采用是周邊固支薄膜的安裝方法。具體為四周強(qiáng)力粘結(jié)和壓緊固定,周邊固支的圓形薄膜的受到均勻分布聲音壓力。邊固支的圓形薄膜的受到均勻分布聲音壓力作用時(shí),可以看成小撓度平板彎曲,其沿厚度方向即:法線方向位移最顯著,且與厚度方向的坐標(biāo)無(wú)關(guān)。在材料的選擇上可以使用超高反射率反射片(ESR)作為反射薄膜，該材料具有高彈性模量、低密度、無(wú)需再進(jìn)行鍍膜等優(yōu)點(diǎn)。

其中，所述振動(dòng)膜片設(shè)計(jì)，還應(yīng)有振動(dòng)膜片的有限元分析優(yōu)化。采用有限元方法對(duì)振動(dòng)薄膜進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以大大降低工作量。所以振動(dòng)膜片的有限元分析優(yōu)化步驟包括：建立圓形平薄膜模型,根據(jù)薄膜直徑大小繪出薄膜的幾何圖形,設(shè)置材料的屬性。選擇結(jié)構(gòu)分析類型。施加載荷與約束,對(duì)于周邊固支薄膜,施加的載荷只有聲音壓力,約束為周邊各點(diǎn)位移為0。在反饋式光纖空氣聽聲系統(tǒng)中，根據(jù)振動(dòng)薄膜的有限元分析優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)高可用振動(dòng)膜片，提高系統(tǒng)靈敏度。

其中，為解決開頭所述問(wèn)題，在光纖震動(dòng)膜片完善后。本發(fā)明采用的再一個(gè)技術(shù)方案是采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償法來(lái)降低外界對(duì)檢測(cè)結(jié)果的干擾。反饋型光纖空氣聽聲的測(cè)量精度受到光源功率變化、光纖傳輸損耗、光電探測(cè)器的特性漂移等影響。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償法將調(diào)試重點(diǎn)放在穩(wěn)定光源功率和消除外界干擾上，該方法用于光纖傳感器中的回收的信號(hào)處理，通過(guò)大數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)，進(jìn)而降低光源功率的波動(dòng)幅度和智能識(shí)別回收信號(hào)，穩(wěn)定聲音頻率。

其中，所述神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的光強(qiáng)調(diào)制特性分析，對(duì)于基于瑞利散射的反饋式光纖聽聲來(lái)說(shuō)，纖端光場(chǎng)強(qiáng)度的分布十分重要，直接關(guān)系到光強(qiáng)調(diào)制特性，故本發(fā)明對(duì)纖端光場(chǎng)強(qiáng)度的分析包括：許多光纖同行認(rèn)為纖端光場(chǎng)是由光強(qiáng)沿徑向分布的平面波和光強(qiáng)沿徑向高斯分布的高斯光束兩部分構(gòu)成。實(shí)際上纖端光場(chǎng)既不是純粹的高斯光束，也不是純粹的均勻分布的幾何光束。是這兩者的相互調(diào)和，因此出現(xiàn)了兩個(gè)無(wú)量綱調(diào)和參數(shù)，并給出高斯半寬的的修正結(jié)果為:

其中，ξ為與光源種類、光纖的數(shù)值孔徑及光源與光纖耦合情況有關(guān)的綜合調(diào)制參數(shù)。經(jīng)過(guò)推導(dǎo)得到纖端光場(chǎng)分布形式:

其中，所述光強(qiáng)特性的纖端光場(chǎng)強(qiáng)度分布模型簡(jiǎn)化，本發(fā)明采用一根單模光纖作為發(fā)射和接收，單模光纖具有傳輸損耗小，可進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)量，靈敏度更好的諸多優(yōu)點(diǎn)。光纖按照光纖傳輸?shù)哪Ｊ嚼碚?，單模光光纖在穩(wěn)態(tài)情況下只允許一種模式(基模)在其中傳播，其余的高次模全部截止。在光纖端面上，光纖端面處的光強(qiáng)表達(dá)式為:

當(dāng)在ρω處，光強(qiáng)下降為中心處光強(qiáng)，即單模光纖的模場(chǎng)直徑就定義為ω。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明采用的振動(dòng)膜片位移示意圖；

圖2是本發(fā)明采用的振動(dòng)膜片靈敏度和膜片厚度的關(guān)系；

圖3是本發(fā)明在真實(shí)環(huán)境中采集并計(jì)算出的Sr和Sp的時(shí)域信號(hào)；

圖4是本發(fā)明光纖聲音傳感器系統(tǒng)框圖。

具體實(shí)施方式

以下描述中，為了說(shuō)明而不是為了限定，提出了諸如特定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、接口、技術(shù)之類的具體細(xì)節(jié)，以便透徹理解本申請(qǐng)。然而，對(duì)光纖聽音領(lǐng)域熟悉的同行人員來(lái)說(shuō)，在沒(méi)有這些具體細(xì)節(jié)的其它實(shí)施方式中也可以實(shí)現(xiàn)本申請(qǐng)。在其它情況中，省略對(duì)大家熟悉的裝置、電路以及方法的詳細(xì)說(shuō)明，以免不必要的細(xì)節(jié)妨礙本申請(qǐng)的描述。

請(qǐng)參閱圖1，圖1為振動(dòng)膜片位移示意圖，包括：

采用周邊固支薄膜的安裝方法后，當(dāng)P作用時(shí)，可以看成小撓度平板彎曲,其沿厚度方向(即法線方向)位移w最顯著,且與厚度方向的坐標(biāo)z無(wú)關(guān)。圖1為平面極坐標(biāo)系下圓形平膜片位移示意圖,u,v和w分別是徑向、環(huán)向和法向位移分量。對(duì)于小撓度問(wèn)題,圓形薄膜中面上的徑向位移分量u和環(huán)向位移分量v均為0，只考慮其沿法向的位移分量w，對(duì)于均勻?qū)ΨQ分布?jí)毫ψ饔们闆r，u，v，w均與θ無(wú)關(guān)。

其中對(duì)于周邊固支的圓形振動(dòng)薄膜，薄膜尺寸一定時(shí)，材料的彈性模量越大，密度越小，泊松比越大，則其固有頻率越高；在材料一定的情況下，膜片越厚，半徑越小，其固有頻率越高。

圖2示出的是振動(dòng)圓形平面膜片的有限元分析后，得出的靈敏度和膜片厚度的關(guān)系。本發(fā)明選用超高反射率反射片(ESR)作為反射薄膜，ESR利用多層膜技術(shù)制成多層膜結(jié)構(gòu)，具有高彈性模量、低密度、無(wú)需再進(jìn)行鍍膜等優(yōu)點(diǎn)。振動(dòng)薄膜的有限元分析主要按一下步驟進(jìn)行:

建立圓形平薄膜模型,根據(jù)薄膜直徑大小繪出薄膜的幾何圖形,設(shè)置材料的屬性,ESR的相關(guān)參數(shù)為:密度ρm= 1290kg/m 3,彈性模量E= 7 100MPa,泊松比μ= 0.4;最后,進(jìn)行網(wǎng)格劃分,設(shè)置沿周長(zhǎng)方向100等分。

選擇結(jié)構(gòu)分析類型,這里,分別對(duì)不同直徑和不同厚度的周邊固支圓形平薄膜的靈敏度和固有頻率進(jìn)行有限元分析。在薄膜靈敏度分析時(shí),選擇靜力分析,在分析薄膜的頻率特性時(shí),選擇模態(tài)分析和諧振分析,可以獲得薄膜的各階固有頻率與諧振特性。

施加載荷與約束,對(duì)于周邊固支薄膜,施加的載荷只有聲音壓力,約束為周邊各點(diǎn)位移為0。通常情況下,人講話的聲壓為60dB,根據(jù)聲壓級(jí)SPL和聲壓的換算關(guān)系SPL= 20lg(p/pr). (9)其中,pr為人耳能感受的1kHz聲音的最小聲壓值,pr= 2×10- 5Pa,所以,60dB聲壓級(jí)換算成聲壓為p= 2×10- 2Pa。在薄膜上施加壓力為p= 2×10- 2Pa的載荷,并設(shè)置周邊元素位移為0作為約束。

請(qǐng)參閱圖3，圖3為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償法對(duì)光纖傳感器中信號(hào)處理的流程圖，包括：

設(shè)光纖端面到反射面距離為,光源光功率為,則測(cè)量信號(hào)和參考信號(hào)分別是：，由于、不是顯示，且、均收到的影響，因此可以用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)補(bǔ)償算法根據(jù)、來(lái)得到的實(shí)測(cè)值,改變和可以得到一組和的樣本集，并以這組樣本集的和作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入進(jìn)行訓(xùn)練，被測(cè)量作為期望輸出，訓(xùn)練時(shí)不斷比較其輸出和被測(cè)量的差值e，并調(diào)整網(wǎng)絡(luò)權(quán)值，使e小于預(yù)設(shè)值。實(shí)際測(cè)量時(shí)把、直接加到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸入端，其輸出端就是測(cè)量結(jié)果。

請(qǐng)參閱圖4，圖4示出的是基于瑞利散射的反饋式光纖空氣聽聲系統(tǒng)的工作原理。圖中未示出振動(dòng)膜片等裝置。本發(fā)明采用的是基于瑞利散射的Y型單模單光纖發(fā)射和接收方式。其工作原理是光源通過(guò)發(fā)射光纖入射到振動(dòng)薄膜上,聲音信號(hào)驅(qū)動(dòng)薄膜振動(dòng),引起薄膜產(chǎn)生位移和曲率變化,發(fā)射光纖反射回接收光纖的光強(qiáng)受到調(diào)制,通過(guò)光電探測(cè)器和光電檢測(cè)電路后得到反映聲音的電信號(hào)。其過(guò)程可以分為聲機(jī)轉(zhuǎn)換、機(jī)光轉(zhuǎn)換和光電轉(zhuǎn)換三個(gè)步驟:

1.聲音信號(hào)引起薄膜振動(dòng),產(chǎn)生薄膜位移,這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程最重要的特性是薄膜的靈敏度和頻率特性,即薄膜位移和固有頻率與薄膜相關(guān)參數(shù)的關(guān)系。薄膜的靈敏度和頻率特性的研究用于指導(dǎo)薄膜的設(shè)計(jì)特別是參數(shù)的選擇；

2.薄膜由于聲音信號(hào)產(chǎn)生位移,所以發(fā)射光纖反射回接收光纖的光將受到調(diào)制,其中包含了聲音信息。這一轉(zhuǎn)換過(guò)程的主要特性是光強(qiáng)調(diào)制函數(shù),即接收光強(qiáng)和薄膜與光纖端面距離的關(guān)系。光強(qiáng)調(diào)制特性的研究用于指導(dǎo)光纖擺設(shè)方案的設(shè)計(jì)以及光纖端面與薄膜距離的選擇；

3.接收光纖接收的調(diào)制光經(jīng)過(guò)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電流信號(hào),再經(jīng)過(guò)光電檢測(cè)電路轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)。這一轉(zhuǎn)換過(guò)程的主要特性是光電轉(zhuǎn)換系數(shù),即輸出電壓與接收光強(qiáng)的關(guān)系,它包括了光電探測(cè)器的靈敏度和光電檢測(cè)電路的轉(zhuǎn)換系數(shù)。光電轉(zhuǎn)換特性用于指導(dǎo)光源和光電探測(cè)電路的設(shè)計(jì)。

以上所述僅為本發(fā)明的實(shí)施方式，并非因此限制本發(fā)明的專利范圍，凡是利用本發(fā)明說(shuō)明書及附圖內(nèi)容所作的等效結(jié)構(gòu)或等效流程變換，或直接或間接運(yùn)用在其他相關(guān)的技術(shù)領(lǐng)域，均同理包括在本發(fā)明的專利保護(hù)范圍內(nèi)。