1.2.2 直接耦合型光學聲傳感器

直接耦合型光學聲傳感器是最近幾年發展起來的一項新型光學聲傳感技術，其聲敏感原理為聲波擾動引起空氣折射率的微小變化，然后直接用光束檢測空氣折射率的變化從而實現聲探測。因為擺脫了聲耦合材料的限制，直接耦合型光學聲傳感器相比間接耦合型光學聲傳感器具有寬頻帶、高靈敏度和大動態范圍的優點。目前，直接耦合型光學聲傳感器主要有自耦合效應型、MZI型和法珀腔型等。

2016年，Mizushima等提出了一種基于半導體激光器自耦合效應的激光傳聲器，聲敏感原理是聲波信號會線性改變空氣折射率，從而使自耦合激光產生光強變化，原理圖如圖1-30所示。激光傳聲器具有寬而平的頻率響應，最小可探測聲壓為10mPa[62]。2017年，Mizushima等利用拋物面聲波反射器收集聲波來提高聲響應靈敏度。實驗結果表明，激光傳聲器在40Hz～50kHz范圍內具有近乎平坦的頻率響應，靈敏度為35mV/Pa，最小可探測聲壓低至4.5mPa[99]。

2011年，Fischer等提出了基于這種新型聲敏感原理的無膜光學麥克風[100]，聲敏感結構為由兩個部分透射的平面鏡組成的剛性法珀腔，聲探測原理為聲波擾動使平面鏡之間的空氣折射率發生變化，通過檢測折射率變化實現聲信號探測。圖1-31是其實驗原理圖和聲壓靈敏度曲線，實現的聲壓靈敏度達80mV/Pa。聲信號探測的靈敏度由反射鏡的反射率決定，反射率越高，所能實現的靈敏度越高。在室溫和標準大氣壓下，空氣折射率的變化為2.84×10-9/Pa，理論上，基于法珀腔的直接耦合型光纖聲傳感器可以檢測到的最小折射率變化為10-14。2016年，奧地利XARION激光聲學公司研發了高性能的微小型法珀腔光纖聲傳感器[22]，其產品樣機及探頭如圖1-32所示。該產品在空氣中實現了10Hz～1MHz的頻率響應，動態范圍為100dB，但靈敏度只有10mV/Pa，應該是由于該產品中的鏡面反射率較低造成的。

中北大學從2016年開始進行基于高Q值法珀共振敏感機制的全固態超寬頻帶高靈敏聲傳感器件的相關研究，主要圍繞法珀腔聲壓敏感機理、全固態法珀腔結構力學參數特性、基于高頻載波調相譜的高Q值法珀腔穩頻環路模型等基礎科學問題，先后申請了國家自然科學基金面上項目、中央軍委裝備發展部預研項目等，重點解決寬頻帶高靈敏度聲敏感法珀腔的結構參數匹配設計、法珀腔一體化全封裝技術、極微弱信號檢測關鍵技術及寬頻帶高靈敏法珀腔聲敏感單元的環境適應性等關鍵技術，為實現集成化、批量化的超寬頻帶（～MHz）、高靈敏聲傳感器件奠定了一定的基礎。

2020年，中北大學的Chen等基于高品質因數法珀腔的諧振效應，報道了一種純光學無振膜光纖聲傳感器[23]，聲傳感器實物圖如圖1-33所示。采用光膠工藝實現高品質因數法珀腔的小批量制造和高一致性。該法珀腔由兩個平行平面鏡組成，反射率超過99%，品質因數高達106。光纖準直器用來進行光纖與法珀腔的光耦合，目的是增加光耦合效率，降低損耗。所提出的微光纖聲傳感器實現了177.6mV/Pa的高靈敏度。由于聲波調制時法珀腔空氣隙中的空氣折射率發生了變化，得到了20Hz～70kHz的頻率響應，平坦度為±2dB，同時測得了100.51dB的大動態范圍。這項工作得到了直接利用光束檢測聲波引起空氣介質折射率的微小變化來實現聲探測的純光學無振膜微小型光纖聲傳感器，形成了具有自主知識產權的專利技術，提升了我國在全固態寬頻帶高靈敏度聲傳感研究領域的核心競爭力。

2020年，西北大學的Zhu等設計并加工出無振膜MZI光纖聲傳感器，聲傳感原理圖如圖1-34（a）所示[101]。該光纖聲傳感器是基于3D打印技術制備的與光纖耦合器陶瓷插芯所匹配的套管結構，結構體積小巧，傳感頭實物圖如圖1-34（b）所示。實驗測試結果為，頻率響應范圍4～20kHz，聲壓靈敏度約150mV/Pa，同時最小可探測聲壓0.01Pa，最大可探測聲壓1.04Pa。目前，該聲傳感器僅處于實驗研究階段，沒有工程化樣品。

直接耦合型光纖聲傳感技術中，自耦合效應型光纖聲傳感器雖然開辟了一種新的聲探測路徑，但其整體結構相對復雜，不利于微型化聲傳感；法珀腔型光纖聲傳感器不僅結構簡單、體積小，還可以實現頻率響應平坦范圍在兆赫茲以上的聲探測，特別是基于高Q值法珀腔諧振效應的光纖聲傳感技術能充分利用光腔的多次反射特性，通過增加光程進一步提高聲檢測靈敏度，是一種極具發展價值的新技術。

表1-1是不同技術類型光纖聲傳感器性能參數對比表。從表中可以看出，光強調制型光纖聲傳感器中的彎曲波導型、耦合波導型和懸臂型主要應用于水聲領域，反射型和移動閘門型多用于空氣聲領域，而且反射型和移動閘門型的光纖聲傳感器靈敏度相比其他三種要高很多。與光強調制型光纖聲傳感器相比，波長調制型光纖聲傳感器雖然可以在水聲領域實現超寬頻帶的聲探測，但由于FBG光譜邊帶的限制，靈敏度較低。相位調制型光纖聲傳感器在空氣聲領域中的探測靈敏度更高，頻帶響應更寬，其中FPI型光纖聲傳感器的聲探測性能要明顯優于其他三種類型。直接耦合型光纖聲傳感器利用光與聲場直接耦合實現聲探測，可以擺脫聲耦合材料的限制，使得傳感器在空氣聲領域具有很好的線性和寬頻帶響應特性。其中自耦合效應型光纖聲傳感器在空氣中實現了50kHz的寬頻帶和132mV/Pa的高靈敏度，但結構復雜，不利于微型化；法珀腔型光纖聲傳感器結構簡單、體積小，可以實現20Hz～100kHz的平坦寬頻帶、177.6mV/Pa的高靈敏度和100.51dB的大動態范圍聲探測，而且聲性能還能進一步提升。比如，可以通過更高精度的位移平臺進行光纖與法珀腔的耦合，降低光損耗，增加聲響應靈敏度。綜上所述，基于法珀腔的光學聲傳感器是當前性能最優，也是最具有發展前景的光學聲傳感器。

表1-2總結對比了基于不同聲敏感元件的法珀腔光纖聲傳感器的性能。從表中可以看出，用作水聽器的光纖聲傳感器能在水中實現寬頻帶的聲探測，但靈敏度較低。而用于空氣聲探測的光纖聲傳感器能實現很高的靈敏度，可進行弱聲探測，但頻帶較低，多集中在人聲頻域。另外，由表1-1和表1-2可以明顯看出關于光纖聲傳感器的動態范圍特性的研究甚少，對FPI光纖聲傳感器來說，主要是由于聲耦合材料的聲學限制，在實現高靈敏度或寬頻帶的同時很難再進一步提高動態范圍。而法珀腔的全剛性結構特性決定了基于法珀腔的光纖聲傳感器可以實現大動態范圍的聲探測。綜上所述，中北大學提出的基于法珀腔諧振效應的無振膜光纖聲傳感器實現了寬頻帶、高靈敏度和大動態范圍空氣聲探測。這一類無振膜光纖聲傳感器的出現為光纖聲傳感器向理想聲探測性能發展方向邁進起到了極大的促進作用，具有重要的研究價值。