次聲傳感器及次聲檢測(cè)技術(shù)探究

文家雄,陳 偉

（四川信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣工程系,四川廣元,628017)

0 引言

次聲傳感器是一種能夠有效接收到次聲波的傳感器，一般來(lái)說，為了滿足不同的傳聲需求，通常存在著不同類型的傳感器，且傳感器的頻率范圍都維持在0.1Hz ～20Hz 的范圍內(nèi)，特殊情況下某些傳感器的下限頻率可低至0.00lHz。次聲檢測(cè)技術(shù)則是一種能夠有效檢測(cè)出次聲波的接收、檢測(cè)技術(shù)，主要以次聲傳感器為載體，主要應(yīng)用于次聲的檢測(cè)與監(jiān)控。實(shí)踐證明，次聲傳感器配合以次聲檢測(cè)技術(shù)的強(qiáng)化創(chuàng)新，能有效規(guī)避由于傳統(tǒng)傳感器的自身問題所造成的一系列研究結(jié)果失準(zhǔn)問題，從而為研究人員的研究活動(dòng)提供有益指導(dǎo)。

1 次聲傳感器及次聲檢測(cè)技術(shù)

次聲傳感器種類繁雜，主要包括電動(dòng)式、電容式、波紋管膜盒式、光纖式、磁感應(yīng)調(diào)頻式(FMIS)等幾種。其中又以電容式傳感器為代表，它體積小，使用方便，靈敏度高，能夠直接連接記錄器進(jìn)行信號(hào)實(shí)時(shí)模數(shù)轉(zhuǎn)換。目前國(guó)內(nèi)外大多數(shù)次聲觀測(cè)站所采用傳感器設(shè)備均為電容式次聲傳感器，這一類型已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于檢測(cè)和監(jiān)控次聲波、預(yù)報(bào)地震冰雹以及其他地球物理相關(guān)的研究領(lǐng)域中，對(duì)改善人類生產(chǎn)生活有著不可估量的影響作用。

次聲檢測(cè)技術(shù)作為次聲傳感器所賴以存在的關(guān)鍵性因素，近年來(lái)科學(xué)家正在不斷研究探索其新的發(fā)展方向與改進(jìn)方式。具體來(lái)說，首要應(yīng)該通過改進(jìn)次聲接收裝置和設(shè)計(jì)要求，不斷提高傳感器的工藝精度和靈敏度，保持其頻響的一致性。以電容式次聲傳感器為例，即要求改進(jìn)傳感器的頭部結(jié)構(gòu)，保持膜片的厚度一致，嚴(yán)格滿足防磁、防塵等基本規(guī)范要求；其次是要利用現(xiàn)代智能傳感器技術(shù)來(lái)提高傳感器的自動(dòng)化水平，通過檢驗(yàn)并提升數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集分析處理能力，以便完成同時(shí)使用多個(gè)傳感器進(jìn)行野外遠(yuǎn)程次聲檢測(cè)作業(yè)的實(shí)際工作需求，從而大幅度地提高了次聲等級(jí)檢測(cè)與次聲源定位的精準(zhǔn)度；第三是通過設(shè)置最新的大區(qū)域網(wǎng)絡(luò)次聲檢測(cè)陣列，最大程度地?cái)U(kuò)大傳感器發(fā)展作用的范圍，通過在廣闊的領(lǐng)域設(shè)置大量傳感器陣列，在處理過程中采用次聲定位的算法來(lái)計(jì)算所接收到的信息，從而及時(shí)準(zhǔn)確地確定次聲源的位置。在檢測(cè)陣列的設(shè)置要求中，既要保證各傳感器的一致性，又要降低風(fēng)噪聲對(duì)檢測(cè)系統(tǒng)的影響作用，這就要求研究人員既要實(shí)現(xiàn)陣列中的各傳感器在靈敏度和相位上的一致性，也要進(jìn)行次聲傳感器抗風(fēng)噪聲系統(tǒng)的相關(guān)開發(fā)研究。

2 當(dāng)前出現(xiàn)的次聲傳感器和次聲檢測(cè)技術(shù)

當(dāng)前出現(xiàn)的次聲傳感器與次聲檢測(cè)技術(shù)主要有以下幾種類型。第一類是法國(guó)MB20OO 系列傳感器。這種傳感器的發(fā)展歷史比較悠久，早期被廣泛應(yīng)用在國(guó)際次聲監(jiān)測(cè)站上。實(shí)際上該類傳感器其本質(zhì)為內(nèi)置數(shù)字電路的波紋管膜盒型微氣壓計(jì)，由于波紋管需要持續(xù)浸泡在硅油中，因而在應(yīng)用中MB20OO 系列傳感器具有穩(wěn)定性較差、靈敏度低、頻率響應(yīng)不平直等問題，詳見下圖1；第二類是美國(guó)阿拉斯加大學(xué)的model 系列傳感器。Model 系列傳感器均屬于電容式次聲傳感器，頻率范圍在0.O1Hz～10HZ之間。與法國(guó)MB20OO 系列傳感器相比，model 傳感器的下限頻率較低，這就說明model 能夠檢測(cè)出頻率更低的次聲波；而與其他型號(hào)的電容式次聲傳感器相比較，model 傳感器的各項(xiàng)聲學(xué)性能指標(biāo)一般。因此，這種傳感器使用于環(huán)境溫度變化比較大的環(huán)境，適于長(zhǎng)期使用，詳見下圖2；第三類是中國(guó)CDC-ZB 型次聲傳感器和電動(dòng)式次聲傳感器。這是中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所研制的新型電容式次聲傳感器，它吸收了傳統(tǒng)的電容式微氣壓計(jì)的作用原理，并在此進(jìn)出上做了多項(xiàng)改進(jìn)措施，從而大幅度地提高了其靈敏度。CDC-ZB 傳感器的外殼和電容膜片都在整體上進(jìn)行了有效的優(yōu)化設(shè)計(jì)，從而保證其在運(yùn)行過程中能夠不受外界低頻振動(dòng)的干擾。該類傳感器的突出特點(diǎn)在于便攜性優(yōu)異，整機(jī)重量不足2Kg，操作便捷；最后是由中國(guó)科學(xué)院在早起研發(fā)的電動(dòng)式次聲傳感器，這種一種檢測(cè)大氣次聲波的傳感器。它不需要供電內(nèi)部由膜片、線圈、永磁體等三部分構(gòu)成。當(dāng)傳感器檢測(cè)到外界次聲波的存在，膜片在次聲波的作用下會(huì)與線圈一起在永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)，通過感應(yīng)在線圈兩端所生成的電壓，進(jìn)而對(duì)次聲波幅值進(jìn)行有效的檢測(cè)作用。電動(dòng)式次聲傳感器的優(yōu)勢(shì)在于不需要外部供電，通過由于其體積較大，因而比較適合在沒有充足供電條件的環(huán)境下長(zhǎng)期工作。

圖1 法國(guó)MBZ000 系列次聲傳感器

圖2 美國(guó)Model 系列次聲傳感器

3 次聲傳感器和次聲檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展研究

傳感器設(shè)計(jì)原理是根據(jù)次聲的特性來(lái)決定的，當(dāng)次聲波在大氣中進(jìn)行傳播，會(huì)產(chǎn)生較為明顯的空氣擾動(dòng)現(xiàn)象，進(jìn)而對(duì)空氣的壓力、密度及其質(zhì)點(diǎn)的位移都能夠造成不同程度的影響。根據(jù)次聲傳播的特點(diǎn)，檢測(cè)次聲波的次聲傳感器也就應(yīng)運(yùn)而生。目前來(lái)說電容式次聲傳感器的使用范圍與使用頻率最為廣泛，然而在實(shí)際狀況中傳感器依然存在著靈敏度低、相位一致性差、溫度偏移大等問題。以電容式次聲傳感器為例，其最為關(guān)鍵的位置在頭電容處，其設(shè)計(jì)原理為通過將厚度小于5 微米的膜片精確在后極板的上方，從而長(zhǎng)時(shí)間保持二者之間一定的靜態(tài)距離，這就對(duì)后極板與固定材料的硬度提出了很高的要求。如果硬度較低，那么后極板就較易受溫度和體積的影響，靜態(tài)距離也就很容易發(fā)生變化，從而對(duì)測(cè)量系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性直接造成影響。這給研究人員以有效警示，在設(shè)計(jì)傳感器時(shí)，要尤其注重和傳感器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、材料選擇和制作工藝選用。此外，次聲傳感器不僅僅能夠檢測(cè)次聲，而且還具有傳聲功能，這也就要求相關(guān)人員要重視聲學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，通過完善其前腔、后腔的設(shè)計(jì)，確保系統(tǒng)在測(cè)量頻率范圍內(nèi)的良好頻響特性。

當(dāng)前研究人員應(yīng)當(dāng)大力發(fā)展的次聲檢測(cè)技術(shù)主要包括智能傳感器檢測(cè)技術(shù)、高性能微處理機(jī)檢測(cè)技術(shù)與大區(qū)域網(wǎng)絡(luò)次聲監(jiān)測(cè)陣列技術(shù)等。具體來(lái)說，智能傳感器檢測(cè)技術(shù)通過對(duì)電路進(jìn)行控制從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電路的有機(jī)調(diào)理，在成功建構(gòu)起高速高分辨率模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊的同時(shí)完善精密測(cè)量采集系統(tǒng)，并采用數(shù)字信號(hào)處理器與大容量高速閃存存儲(chǔ)器等組成信號(hào)處理及通訊系統(tǒng)，從而完成對(duì)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊的全自動(dòng)測(cè)量、分析和處理的要求。高性能微處理機(jī)檢測(cè)技術(shù)是一種近年來(lái)嶄露頭角的次聲波檢測(cè)技術(shù)，高性能微處理機(jī)是智能檢測(cè)硬件電路的核心。這一技術(shù)對(duì)硬件設(shè)備的通用性要求較高，在實(shí)際運(yùn)行活動(dòng)中能夠通過實(shí)時(shí)控制的形式對(duì)次聲波進(jìn)行及時(shí)的檢測(cè)，體積較小，速度較快，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性高，因此廣泛應(yīng)用中眾多的次聲波檢測(cè)工作領(lǐng)域當(dāng)中。需要指出的是，智能傳感器檢測(cè)技術(shù)與高性能微處理機(jī)檢測(cè)技術(shù)的實(shí)際投入使用，都需要相關(guān)人員通過可靠的標(biāo)定方法標(biāo)定某個(gè)頻率段或者頻率點(diǎn)，從而對(duì)傳感器的各項(xiàng)性能指標(biāo)如靈敏度等進(jìn)行有效的監(jiān)控。這說明，在次聲傳感器的研究活動(dòng)中,必須要有相應(yīng)的可靠的次聲傳感器實(shí)驗(yàn)室標(biāo)定設(shè)備和方法為依托。大區(qū)域網(wǎng)絡(luò)化次聲傳感器陣列檢測(cè)技術(shù)則是根據(jù)當(dāng)前次聲傳感器所普遍存在的靈敏度低、一致性差等問題所提出的一種新型次聲檢測(cè)方法。通過在幾百公里的范圍內(nèi)布置大量的傳感器陣列，并采用聲波定位算法來(lái)處理所接收到的信號(hào)，從而有效確定次聲源的位置。大區(qū)域網(wǎng)絡(luò)化次聲傳感器陣列的正常活動(dòng)需要較高的一致性，這就在客觀上促進(jìn)了一致性校準(zhǔn)系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)步，并在次聲傳感器抗風(fēng)噪聲系統(tǒng)的研究方面取得了新的研究成果。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，科學(xué)合理的次聲研究能夠幫助人類更好地預(yù)測(cè)自然災(zāi)害，從而為人類正常生產(chǎn)生活提供有益指導(dǎo)。針對(duì)當(dāng)前次聲傳感器普遍存在的靈敏度低、一致性差等問題，研究人員只有在分析傳感器和檢測(cè)技術(shù)發(fā)展研究進(jìn)程的基礎(chǔ)上，才能探索出次聲傳感器與次聲檢測(cè)技術(shù)在新時(shí)代的發(fā)展新方向。

[1] 謝金來(lái),陶中達(dá),謝照華.高靈敏度寬頻帶電容次聲傳感器明.核電子學(xué)與探測(cè)技術(shù),2013,23(5):425-432.

[2] 劉立云.測(cè)試電容傳聲器膜片焊接工藝簡(jiǎn)介[J1.應(yīng)用電聲技術(shù),2011,2(6):20-23.

[3] 衛(wèi)孝泉,孫曉光.電容傳聲器類比電路的導(dǎo)出與分析明.電聲技術(shù),2010,4:12-14.

[4] 夏雅琴,孫學(xué)波.基于ARM 的次聲采集與網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)明.北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2013,33(9):985-988.

[5] 李甜,陳文聰,李杰.基于時(shí)延的被動(dòng)聲探測(cè)陣列綜合仿真比較[J].探測(cè)與控制學(xué)報(bào),2014,26(l):57-60.