次声波综述

浅谈次声波
1.引言
在声波的频段划分中，人们把频率低于20Hz的声波称作次声波。

次声普遍存在于多种现象中。

由于人耳只能听到频率在20~20kHz范围内的声音，所以长期以来次声没有引起人们过多的注意。

在自然现象中，地震、火山爆发、风暴、雷暴、磁暴、陨石落地、大气湍流等都会产生次声波。

人类的活动，如核爆炸、人工爆破、火箭起飞、飞机起降、奔驰车辆的振动等也会产生相当强的次声波。

另外，还可以人为制造声源——次声发生器。

这种发生器的工作很像风琴管，可以具有较大的功率。

次声波和声波一样，其传播遵循声波传播的一般规律，但由于它的频率很低，在传播时也有自己的特殊性。

次声波在20℃的大气中的传播速度为334m/s。

由于次声波的频率低，波长大，容易发生衍射，在传播过程中遇到障碍物很难被阻挡，经常会一绕而过，在有些情况下，哪怕是巨大的山峦也无法阻挡它的传播。

另一方面，声波在传播过程中，频率越高，衰减越大。

次声波由于频率很低，在传播过程中衰减很小。

当次声波在大气中传播几千千米时，空气对其吸收还不到万分之几分贝。

因此，次声波可以在空气、地面等介质中传播得很远。

近些年来，对次声波有了较多的关注和研究，逐渐发现它在各个方面的应用价值。

次声波的应用前景大致有这样几个方面：
（1）通过研究自然现象所产生的次声波的特性和产生的机理，更深入地研究和认识这些自然现象的特征与规律。

例如，利用极光所产生的次声波，可以研究极光活动的规律。

（2）利用所接收到的被测声源产生的次声波，可以探测声源的位置、大小和研究其他特性。

例如，通过接收核爆炸、火箭发射或者台风产生的次声波，来探测出这些次声源的有关参量。

（3）预测自然灾害性事件。

许多灾害性的自然现象，如火山爆发、龙卷风、雷暴、台风等，在发生之前可能会辐射出次声波，人们就有可能利用这些前兆现象来预测和预报这些灾害性自然事件的发生。

（4）次声波在大气层中传播时，很容易受到大气介质的影响，它与大气层中的风和温度分布等因素有着密切的联系。

因此，可以通过测定自然或人工产生的次声波在大气中的传播特性，探测出某些大规模气象的性质和规律。

这种方法的优点在于可以对大范围大气进行连续不断的探测和监视。

因此对次声波的检测显得越来越重要，鉴于次声信号的低频特点，对次声传感器的特性便有特殊要求。

常见的次声波传感器有电容式、动圈式以及光纤等。

目前市场上次声波检测装置基本上是采用电容式传感器，特别是驻极体电容传感器。

2.次声波的探测技术及研究现状
2.1电容式次声探测器
2010年，O.V.Achemtov的小组报道了[1]一种液体次声传感器。

如图1所示就是这种传感器的基本结构。

该传感器有两个联通室构成，里面封装了用于测量液位的电容器，一个测量室直接与大气相连，而另外一个则通过一根毛细管与大气相连，则当外界压力均匀时，液位在联通室的1/2处。

当外界压力发生变化时，
液位的变化将会导致电容器的电容值发生变化。

液位的变化是通过AD7764转换器转化为电压的变化。

这种传感器结构简单，操作方便，而且有很高的灵敏度。

它的分辨率可以达到0.02Pa。

图1.液体次声波传感器示意图（1）铸件（2）连通管（3）隔板（4）电容器极板（5）液体
2.2 动圈式次声传感器
动圈式次声传感器[2]的结构如图2所示，将约80匝80mm*65mm的矩形线圈固定在130mm*130mm的PET薄膜上构成次声传感器，薄膜用铝框绷紧。

当次声波到达薄膜时，薄膜将带动感应线圈，使线圈在磁场中振动，并切割磁力线，线圈两端会产生感应电动势和感应电流，从而实现声电转换。

次声波的频率高，膜的振动频率就高，音圈中感应电动势和感应电流变化的频率也就越高；次声强度越大，振膜的振动幅度就越大，音圈中产生的感应电动势和感应电流的幅度也越大。

线圈中的感应电信号经过电路处理后，利用示波器即可直接测量输出电压。

图2 动圈式次声传感器示意图
2.3光纤声传感器主要类型
对低频、次声波的探测，目前常见的低频声传感器有电容式、动圈式等。

这些技术主要基于电容、压电等电学检测机制，探测端对外界电磁信号的干扰无能
为力，这必然严重限制了低频、低频声传感器应用于需要高绝缘性能，良好抗电磁干扰能力的特殊应用环境。

而光纤次声传感器就具有这些优点。

2.3.1相位调制型光纤声传感器
相位调制型光纤声传感器可通过外界声波对光纤的压力作用改变光纤纤芯的折射率及长度，从而引起在光纤中传播光束光程发生变化，导致相位变化，但由于光频过高，目前的探测技术无法直接检测光波相位的变化，必须将相位变化转换为随相位变化的光强，通过信号解调得出声波的信息。

通常采用的相位调制型光纤声传感器主要基于四种干涉仪原理：Mach-Zehnder干涉仪、Michelson 干涉仪、Fabry-Perot干涉仪和Sagnac干涉仪。

2003年，美国报道了一种光纤式次声传感器[3]，其频率响应为1-10Hz。

其原理图如图3所示。

这种光纤式次声传感器的工作原理是将一对光纤顺着缠绕在密封的管子上，当周围的压力发生改变时，光纤对密封的管子上产生的机械张力产生反应，通过光纤的“2-1-1”缠绕方法，在相同压力下使得其中一根光纤的拉伸比其他的光纤要长一些，然后通过干涉测量法来测得两根光纤的长度差，然后通过这个长度差来推算出作用在传感器上的压力，通过这种方法来探测次声波。

图3 光纤次声传感器装置图
光纤光栅声音传感器是以光栅的谐振耦合波长随外界参量变化而移动为原理。

光纤布拉格光栅是光纤传感器的一种敏感器件。

其原理是在光纤中写入按照设计要求的周期性折射率变化区，形成窄带的滤波器或反光镜。

当宽带光源的输出光经过一个光纤布拉格光栅时，根据模式耦合理论可知，波长满足布拉格条件的光将被反射回来，其余波长的光则被透射。

当传感光栅周围的应力随声压发生变化时，将导致有效折射率或光栅栅距的变化，从而产生传感光栅相应的中心反射波长偏移，实现声压对反射信号光的波长调制。

图4是光纤光栅的麦克风传感器头[4]，声音很容易通过振动作用于光纤光栅，导致光栅常数变化。

通过该光栅的投射光（反射光）中心波长会发生改变，波长的变化幅度随声场的强度而变。

因此声音调制的是光波长。

如果在光纤中传输了多个波长的光，不同的光栅调制可以得到不同声场的信号，从而实现组网应用。

利用光纤布拉格光栅组成光纤声音传感器阵列系统如图5所示。

图4 FBG光纤麦克风
图5 光纤声音传感器阵列系统图
基于Mach-Zehnder干涉原理的次声传感器，如图6所示[5]。

耦合器1出来的光被分成两束，进入补偿干涉仪，短臂中光的角频率Wo经声光移频器变为W1，长臂中的光经过光纤圈后角频率仍然为Wo。

由于激光二极管的相干长度比干涉仪中两臂的光程差短得多，所以在耦合器2处，两个频率稍有不同的光并没有发生干涉。

混合光到达传感干涉仪时，在耦合器3处，光波又被分成两束分别进入干涉仪的两个臂中。

最后在耦合器4处，参考臂和传感臂中均含有Wo和W1的频率成分，通过将传感干涉仪的光程差等于补偿干涉仪的光程差，所以只有传感臂中的频率W1和参考臂中的频率Wo因为传播相同的距离而发生干涉。

因为传感干涉仪的参考臂非常短，所以这就大大降低了因长参考臂所带来的噪声。

而且，光纤的低损耗及Wo到W1之间的色散可以忽略使得传感干涉仪与补偿干涉仪之间的距离可适当增加而不会影响干涉仪的性能。

这个水听器的优点是：激光源的相干长度相对较短，传感干涉仪是被动的，补偿干涉仪可以放置在靠近信号处理的地方而远离传感干涉仪。

实验表明：在5-20kHz范围内，该水听器有着平坦的响应，平均相位灵敏度为-322.3 dB re1/u Pa ，均压力灵敏度为-153.7 dB re rad/u Pa。

这些性能参数均优于传统的压电水听器。

通过改善信号处理方式，相位灵敏度还可以增加到-313 dB re1/uPa，压力灵敏度可以提高到-136.9 dB re rad/u Pa。

图6 双Mach-Zehnder光纤水听器装置图
该装置（如图7所示）是用高双折射光纤Sagnac干涉仪来作为线性声光调制器[6]，当声压施加于光纤上时，会导致光纤中的折射率差发生变化，所以干涉后引起的相位偏移与声波的强度成比例，从而可以测出有关声波的信息。

实验表明，在1550nm处能测得20Hz到20kHz的声波，并且该光纤在很宽的范围内不受到温度影响。

线性调制器的动态范围在0dB到40dB之间。

图7 基于高双折射光纤Sagnac干涉仪的声光调制器
2.3.2 光强调制型光纤声传感器
光强调制型光纤声传感器直接利用外界声压对光纤中传输的光强度进行调
制，当前应用最广泛、原理最简单的首推反射式强度型光纤声传感器，其中形式最简单的就是一进一出型的光纤对式声传感器，如图8。

这种光纤传感器的工作原理为：光源发出的光通过光纤传输经透镜聚焦后投射到反射膜上，反射膜把光反射回透镜，再经过透镜耦合到接受光纤，由声压的扰动引起反射膜的振动，从而影响耦合到接受光纤中的光强度，这个过程就是声压对光载体进行的强度调制，接受光纤拾取经过调制的光再传输到光电探测器，由光电探测器转换成包含了声压信息的电信号，再经过对电信号的处理就可以分离出所要的声压信号了。

图8 反射式光强调制光纤麦克风
为了克服光强波动对光纤声音传感器测量结果的影响设计了如图9所示的双同心圆光纤结构的声传感器[7]。

最里面层为入射光纤，外面依次为两束接收光纤。

这种光线结构以两个同心光纤输出电压之比为声音调制信号，克服了光强波动带来的影响。

当有声音时，由于空气的振动带动传感器探头前端的振动膜片发生振动，振动膜片对发射光进行强的调制，通过光电检测器转换直接输出两个电压信号。

激光器输出的光强很容易受到温度和电压的影响，这两个电压信号包含了激光源的波动情况，但是以两路输出电压的比值为传感器输出信号则避免了光强波动带来的影响。

相对于单输入多输出的光线结构形式，这种光纤声传感器很容易实现传感器的微型化和集成化。

图9 双同心圆光纤结构
如图10所示的是单透镜光纤麦克风[8]。

光从发射光纤出来后，它的出射角被光纤的临界角所限制，所以可以设置光纤出射端到会聚透镜的距离，使得经过透镜后的光束已经被准直。

假如膜相对于y轴有个倾斜角度，那么到达膜面上的准直光束相对于膜面也有个相同的倾斜角度，那么反射光的总偏移角度便加倍。

反射光再次通过透镜后，光束就会被聚到接收光纤的纤芯。

所以当声压作用于膜面时，会引起膜面的弯曲，也就相当于有了倾斜角，所以当出射光经过透镜后到达膜面时便会斜射到接收光纤上。

实验得到，当检测到输出电压为1V时，倾斜角只需为98urad，而仅通过纵向移动膜面是无法达到这么高的灵敏度的。

图10 单透镜光纤麦克风装置图
图11是Y型单根多模反射式光纤传感探头结构形式
图11 光纤麦克风的系统框图
图12是基于双FBG的光纤声传感器的传感头设计，图13显示的是该次声传感器[9]。

当地震波碰到传感头时，传感头封装盒以及弹簧片一端的支撑杆会产生加速度。

但是弹簧片另一端的惰性块体却仍然保持静态，这就导致了弹簧片及FBG传感器所受应力的变化。

FBG上的应力变化可以通过测布拉格波长的偏移来测得。

这里是通过光电检测系统将光信号转换成电信号，从而得出波长的偏移量。

在这个设计中，布拉格波长为1550nm，其应力系数为1pm/με。

阻尼设计在这里也是一个很重要的因素，因为过高或者过低的阻尼均会带来不利的影响，阻尼过高会牺牲低频响应，阻尼过低会使得弹簧片发生不恰当的振荡。

图中的是用硅胶将块体和传感头相粘连，然后运用外界的阻尼力来减少弹簧片的振荡。

两个FBG的功能分别为：光反射器和反射强度调制器。

为了减少温度的影响便对温度进行了补偿，方法是将两个FBG靠近的放置着，这样就保证了温度变化时，两个FBG以同样的方式发生波长的偏移。

实验结果表明FBG传感器的响应与外部施加的振动信号成线性关系，线性拟合系数为0.99533。

该系统的灵敏度在90Hz处为2500mV/g，输出的峰值噪声为0.1mV rms。

系统的动态测量范围为80dB。

通过使用一个更大功率的宽光谱光源或者更灵敏的光电探测器提高信噪比，这样就可以进一步提高FBG的测量灵敏度。

光源的不稳定性会导致信号测量误差，而通过使用一个平坦光谱光源便可以得到改善。

图12 光纤声传感器的传感头设计图
图13 双FBG光纤声传感器的设置图
3.降低噪声的办法
由于大气扰动会对次声信号的测量带来噪声误差，所以我们必须采取一定的措施来降低噪声。

现在IMS次声阵列使用的是“rosette”管空间滤波器[10]，见图14：用管道将一组低阻抗入口连接到中心的微压表。

当声信号和噪声信号通过各个入口进入“rosette”管道系统后会在中心传感器处会合。

当波长小于滤波器的直径时，声音不相干，在管道中传播时便会衰减，然后相干信号与不相干信号的比值便得到增加。

在分别设计和测试了两种滤波器（管道直径分别为18m和70m）后得到70m的滤波器在0.02Hz到0.7Hz之间噪声降低20dB，而18m 的滤波器在0.2Hz以下就不能降低噪声了。

图14 rosette管滤波器
4.结论
综上可以看出：虽然次声探测技术已经有了非常大的发展，各种技术手段层出不穷，而且能够达到很大的动态范围和灵敏度，但是，目前还没有一种次声探测器能够探测各种波段的次声波。

降低背景噪声也是次声探测中很重要的一项技术。

以上的探测方法概括起来都是基于声音的一个特点来进行的——声压，所以通过学习掌握更多关于声音的特点，我相信在探测方法上可以另辟蹊径。

参考文献
[1]O.I.Akhmetov, S.V.Pilgaev, Yu.V.Fedorenko and D.V.Dneprovskii, Liquid microbarograph. Physical Instruments for Ecology, Medicine, And Biology. Volume 53, Number 5, 750-754, 2010.
[2]肖俊，杨良信，沈文彬. 简易次声检测装置的研制. 传感器世界，2010.08.
[3]Mark A. Zumberge, Jonathan Berger, Michael A.H.Hedlin, Eric Husmann,Scott Nooner, An optical fiber infrasound sensor:A new lower limit on atmospheric pressure noise between 1 and 10 Hz, J.Acoust.Soc.Am. 113(5), 2003.
[4]于胜云，何宁. 光纤传感器及在窃听技术中的应用. 广西物理，2006.
[5]T.K.Lim, Y.Zhou, Y.Lin,Y.M.Yip, m, Fiber optic acoustic hydrophone with double Mach-Zehnder interferometers for optical path length compensation, Optics Communications, 159(1999), 301-308.
[6]Gregorio Trinidad Carcia, Esteban Molina Flores, Jose Italo Cortez, Enrique Morales Rodriguez, Roberto Contreras Juarez, Esteban Herrera Hernandez, Sagnac Interferometer Optical Fiber as a linear Modulator Laser Acousto-optic, International Journal of Science and Advanced Technology, Volume 1 No 10，2011.
[7]杨建红，房怀英. 一种新型光纤声音传感器的设计与研究. 宁波大学学报，2009.
[8] Joao Marcos Salvi Salamoto, Gefeson Mendes Pacheco, Theory and experiment for single lens fiber optical microphone, Physics Procedia, 3 (2010), 651-658.
[9]Yan Zhang, Sanguo Li, Jing Ning, Zhifan Yin, Hong-liang Cui, Seismic wave detection system based on fiber optic sensor, Proc.of SPIE Vol.6296, 62961J.
[10]Michael A.H. Hedlin, Jon Berger, Experiments with infrasounic noise-reducing spatial filters, 24th Seismic Research Review-Nuclear Explosion Monitoring:Innovation and Integration.。