低氣壓CO2環境下基于光纖法珀振動傳感器的超聲聲速測試與分析

張景川, 楊曉寧, 王 晶, 崔寒茵, 李 超

(1.北京衛星環境工程研究所，北京 100094；2.中國科學院聲學研究所聲場聲信息國家重點實驗室，北京 100190)

火星探測是深空探測的熱點，對火星大氣和氣候、空間環境和地貌等問題的研究是火星探測的重要內容[1-2]。未來火星探測器將攜帶多類型聲傳感器載荷，用于開展火星探測科學任務。NASA的Mars2020 Rover預計攜帶1個被動聲傳感記錄儀[3]，用于監聽火星可能存在的聲音信號(沙塵暴、放電、環境噪聲等)； Banfield[4]提出主動聲傳感器可用于未來火星任務，測量火星風速、地形、探測軟地層和前方避障，保障火星探測器安全；Lin等[5-6]從2015年開始逐步開展火星聲音記錄、超聲避障及其超聲風速儀研究。

理論上認為只要有氣體介質存在，就會有聲波傳播，然而，火星表面大氣環境與地球不一致，大氣成分主要是CO2，風速0 m/s～15 m/s，壓力范圍600 Pa～1 000 Pa[7-8]，聲波在火星大氣中傳播的性質將發生變化。Williams[9]、Bass和Chambers[10]、Petculescu等[11]分別從多個大氣聲學簡化模型出發，用不同數值模擬方法分析了聲波在低壓、CO2氣體中的聲速和聲衰減等特性。

為了分析超聲傳感技術在火星探測、預警等方面的應用可行性，亟需開展低氣壓CO2環境中超聲波傳播特性及傳播可行性研究。光纖法珀 (Fabry-Perot, F-P)傳感器靈敏度高，不受電磁干擾和低氣壓放電[12]的影響，是一種準確、有效的在線振動監測傳感器[13-14]。本文搭建了一套低氣壓氣體超聲聲速測量試驗系統，基于光纖F-P振動傳感器開展了不同氣體成分(空氣、CO2)、壓力范圍600 Pa～1 MPa、不同距離下中心頻率分別為21 kHz,25 kHz,34 kHz與40 kHz的高精度超聲聲速測量試驗，獲得了CO2氣體600 Pa低氣壓環境下聲速數據，并對試驗結果進行了分析。

1 試驗設計

1.1 試驗系統

低氣壓CO2環境聲學特性試驗系統(以下簡稱，試驗系統)組成如圖1所示，由環模容器、真空獲得子系統、超聲波發射子系統、超聲波接收子系統、移動機構及光纖傳感子系統組成。

圖1 試驗系統組成示意圖 Fig.1 Block diagram of test system

真空獲得子系統由旋片泵與真空規構成，旋片泵將環模容器內部壓力由常壓抽氣至600 Pa水平，真空規對容器內部壓力進行精確測量，應用現場如圖2所示。

圖2 環模容器外部現場圖 Fig.2 The test system in field

環模容器內部直徑800 mm，有效長度1 600 mm，漏率小于1.0×10-4Pa·L/S，可以保證在600 Pa條件下，5 min時間內氣壓變化小于±10 Pa，滿足試驗工況所需壓力保持時長要求，如圖3所示。

圖3 壓力曲線 Fig.3 Block diagram of air-tightness detection system

超聲波發射子系統由信號發生器(HP33120A)、高頻功率放大器(Model75A250A 10 kHz～250 MHz)與聲發射換能器構成。超聲波接收子系統由示波器(Tektronix DPO3032)、信號濾波放大電路(自研)與聲接收換能器構成，其中聲發射、接收換能器均為21 kHz、25 kHz、34 kHz、40 kHz四種頻率的壓電式換能器。信號發生器輸出信號端分A、B兩路：①A路接示波器用于測量輸出信號；②B路連接高頻功率放大器，通過環模容器密封法蘭的穿壁測控電纜與容器內部的聲發射換能器連接。環模容器內部接收換能器通過穿墻測控電纜連接容器外部號濾波放大電路，信號濾波放大電路的輸出連接示波器，完成數據存儲與顯示，應用現場如圖4所示。

圖4 環模容器內部現場圖 Fig.4 The internal of vacuum vessel

圖5 移動工裝機構現場圖 Fig.5 The moving mechanism in field

移動工裝機構由固定支架、滑軌與控制單元構成。如圖5所示，聲發射、接收換能器固定在支架上，支架安裝在滑軌上，聲發射換能器支架固定安置在滑軌尾端，聲接收換能器支架安裝在滑軌滑塊上，控制單元通過穿墻測控電纜，控制環模容器內部的滑軌滑塊，調節聲接收換能器與發射換能器之間的距離，移動工裝機構減少了開關環模容器泄復壓的次數，保證了聲接收、發射換能器之間距離的改變處于同一試驗環境，避免了開關容器造成氣體成分與環境溫濕度因素的改變對超聲傳播特性產生附加影響。

光纖傳感子系統主要包括：光纖F-P振動傳感器與光纖傳感解調模塊，如圖6所示。光纖F-P振動傳感器固定在聲接收換能器頂部，并置于聲發射換能器正前方，光纖F-P振動傳感器膜片朝向聲源，感受到超聲振動信號通過光纖傳輸到解調模塊后，經過計算機軟件讀取并存儲，用于后續聲速數據分析處理。

圖6 光纖傳感器布放現場圖 Fig. 6 The optical fiber sensor in field

1.2 試驗工況

本文采用了21 kHz、25 kHz、34 kHz、40 kHz四種頻率的壓電式發射和接收換能器，據此設計了4級試驗工況，考核了3個收發間距，每個工況在每個間距2種氣體成分下細分為6個子工況，共計144個子工況，工況設置見表1。

表1 試驗工況Tab.1 The test conditions

每級工況按如下流程進行：

(1) 將21 kHz發射、接收換能器固定在支架上，調整間距為40 cm，關閉環模容器大門，此時容器內部壓力為1個大氣壓即100 000 Pa，用100 V電壓脈沖周期為10周，重復頻率為5 Hz的21 kHz電信號驅動發射換能器，記錄聲接收換能器信號；

(2) 進入2級子工況，調節容器內部壓力為10 000 Pa；

(3) 依次完成21 kHz間距為40 cm的6級子工況；

(4) 將壓強抽至10 Pa，向容器內部充入純CO2氣體至1個大氣壓，用100 V電壓脈沖周期為10周，重復頻率為5 Hz的21 kHz 電信號驅動發射換能器，記錄聲接收換能器信號，依次調節氣壓10 000 Pa、5 000 Pa、1 000 Pa、800 Pa、600 Pa，完成CO2氣體成分下21 kHz間距為40 cm的6級子工況；

(5) 考慮到氣壓低于1 000 Pa，存在真空放電現象，要測試相距60 cm不同氣壓條件下21 kHz聲傳播特性，需要待步驟(4)完成后，先將容器內部壓力恢復至1個大氣壓，然后驅動滑軌，將21 kHz發射、接收換能器兩者間距調整為60 cm，重復步驟(1)～(4)開始完成間距為60 cm的6級子工況；

(6) 重復步驟(5)，完成間距為80 cm空氣與CO2環境下的6級子工況；

(7) 將容器內部壓力恢復至1個大氣壓，打開環模容器大門，將25 kHz發射、接收換能器固定在支架上，同理按照步驟(1)～(6)，依次完成工況2；

(8) 同理按照步驟(1)～(7)，依次完成工況3和工況4，最終完成所有頻率不同氣體成分、不同氣壓、不同距離環境下聲傳播特性試驗。

1.3 聲速測試原理

本文采用的光纖F-P振動傳感器為膜片式非本征型光纖法布里-珀羅傳感結構[15]，如圖7所示，采用1.2 μm厚的有機聚合物薄膜作為敏感元件感知外界聲振動信號，法珀微腔由光纖端面和傳感膜片構成，法珀干涉結構的兩個反射面則由膜片的內表面(反射面1)和光纖端面(反射面2)構成，同時該結構也在法珀微腔和外界大氣之間形成了一個垂直通孔。正是由于該結構的存在，使法珀微腔能夠與外界大氣保持壓強平衡，可以避免腔內空間密閉所造成的密閉氣體阻尼的影響。

如圖7所示，當外界聲振動信號以聲壓的形式作用于膜片上時，膜片將發生彈性形變，使得法珀腔長發生改變，引起反射光強的變化。入射光在法珀腔中形成多光束干涉，干涉輸出光強可以表示為：

(1)

圖7 光纖F-P傳感器 Fig.7 Optical fiber F-P sensor

式中：I0為入射光光強；R1、R2分別為法珀腔反射面1與反射面2的有效反射率；δ=4πnL/λ0；λ0為光源中心波長；n為法珀腔內介質的折射率；d為法珀腔兩個反射面之間的腔長，膜片的有效反射率與光纖端面接近，且遠小于1，又因為法珀腔的介質為空氣，其折射率近似等于1，因此，可以將法珀腔模型近似為雙光束干涉，式(1)進一步簡化為：

(2)

法珀腔長d的變化量與聲振動信號的大小存在線性關系，干涉輸出光強Ir通過單模光纖傳輸到光纖傳感解調單元，經光電探測及信號調理電路后輸出電壓信號，通過相位解調，獲得法珀強腔長d的變化量，從而還原聲波信號的原始特征。

圖8 光纖傳感子系統組成框圖 Fig. 8optical fiber sensor sub-system

如圖8所示，試驗過程中，將發射換能器與相應的接收換能器對準，并將光纖F-P振動傳感器固定在聲接收換能器頂部，且其膜片與接收換能器的前表面對齊。在各個試驗工況下，信號發生器(HP33120A)產生一定頻率的驅動信號通過功放驅動聲發射單元發出相應頻率的超聲波，聲波在環模容器中傳播一定距離后，到達聲接收端。

圖9 聲速計算原理圖 Fig.9 The computing principle of the speed of sound

如圖9所示，光纖傳感解調模塊同步采集信號發生器信號S0與光纖F-P振動傳感器信號S1，則兩個信號之間會存在一定的時間差Δt，該時間差Δt反映出聲波在一定距離下傳播所耗的時間，因此，聲速v計算公式如下：

(3)

式中：v為聲速；L為聲發射單元與聲接收單元之間距離；fs為采樣頻率200 kHz；d0為信號發生器激勵信號初始時刻；ds為光纖F-P傳感器接收信號初始時刻。

2 試驗分析

2.1 大氣環境下超聲信號分析

通過理想氣體狀態方程推導氣體理論聲速為：

(4)

式中：γ代表氣體比熱比(即氣體定壓比熱容與定容比熱容之比)；R代表普適氣體常數；R=8.31 Jmol-1K-1，T代表絕對溫度(K)；t代表攝氏溫度(℃)；M代表氣體分子質量。以空氣為研究對象，取γ=1.403，M=28.97 gmol-1，環模容器內部溫度t=15 ℃，則根據式(4)

可得，當環模容器內部為空氣時，理論聲速v為：

(5)

環模容器內部充入大氣，在不同壓力不同距離的試驗條件下，光纖F-P傳感器測得聲信號如圖10所示。

如圖10所示，光纖F-P傳感器能適應低氣壓大氣環境，并在600 Pa低氣壓環境下仍可接收超聲信號。圖10中所示光纖傳感器輸出信號，為歸一化后信號，當氣壓從100 000 Pa降至600 Pa時，超聲信號衰減嚴重，信號信噪比降低，在對信號幅值進行歸一化處理后，噪聲隨之放大，表現為600 Pa環境下，噪聲幅值明顯大于常壓下噪聲幅值。分析圖10所示信號時域波形，可確定信號發生器信號與光纖F-P振動傳感器信號的時域波形起始時刻，獲得兩個信號時間差，根據式(3)可計算得空氣環境下，不同壓力，不同頻率超聲信號聲傳播速度，如表2所示。

聲速誤差計算公式如下：

(6)

式中：v0代表聲速理論值；v1代表聲速測試值。

通過分析表2中數據，當溫度和濕度不變時，超聲聲速隨氣壓、頻率的變化很小，可以忽略不計，這與氣體理論聲速計算公式(4)所示，聲速與氣體成分、濕度、溫度等相關，與壓力、頻率無關的結論是一致的。空氣理論聲速為340.54 m/s，室溫15 ℃下空氣聲速測試平均值為336.18 m/s，與理論值比較，空氣聲速測試值平均誤差約為-1.28%。600 Pa氣壓試驗條件下，21,25,34與40 kHz超聲信號在空氣中的傳播速度約為336.19 m/s。

圖10 大氣環境下光纖信號圖 Fig.10 The signal of under the atmospheric environment

空氣中聲速/(m·s-1)1atm10kPa5kPa1kPa800Pa600Pa各頻率平均聲速/(m·s-1)各頻率平均聲速與理論聲速誤差/%21kHz335.46335.69336.09336.15334.32338.77336.08-1.3125kHz335.2336.09338.77334.58338.77333.33336.12-1.3034kHz336.09336.98336.98335.2338.77335.2336.54-1.1840kHz338.47334.58336.12334.58334.58337.46335.97-1.34各氣壓平均聲速/(m/s-1)336.31335.84336.99335.13336.61336.19336.18-1.28各氣壓平均聲速與理論聲速誤差/%-1.24-1.38-1.04-1.59-1.15-1.28-1.28--

2.2 CO2環境下超聲信號分析

以CO2氣體為研究對象，取γ=1.304，M=44 gmol-1，環模容器內部溫度t=15 ℃，則根據式(4)可得，當環模容器內部為CO2氣體時，理論聲速為：

(7)

環模容器內部充入CO2氣體，在不同壓力不同距離的試驗條件下，光纖F-P傳感器測得聲信號如圖11所示。

為適應低氣壓CO2環境，提高探測靈敏度，光纖F-P傳感器采用1.2 μm厚薄膜作為F-P腔的一個反射面，當氣壓降低，氣體密度減小時，膜片阻尼振蕩減弱，自由振蕩增強。因此，在600 Pa低氣壓情況下，當光纖F-P傳感器接收超聲信號激勵時，膜片的自由振蕩導致傳感器輸出信號展寬與拖尾。F-P傳感器的敏感膜片與氣體介質之間存在聲阻抗，當聲阻抗和聲波頻率滿足一定條件時，會使得敏感膜片產生高階諧振，導致傳感器輸出信號失真；其次，膜片靈敏度較高，對于環模容器內部各位置與各角度的聲波反射信號十分敏感，容器內的聲波模場在氣壓和氣體成分變化時也隨之發生變化，因此，受聲波模場變化和超聲反射信號疊加影響，光纖F-P傳感器輸出信號也會出現波形失真情況，但并不影響聲速計算。

由表3可得，CO2氣體中，聲速隨氣壓、頻率變化可以忽略，室溫15 ℃下CO2氣體中聲速測量平均值約為268.79 m/s，與公式(7)計算的理論結果266.39 m/s相近，測量聲速誤差約為0.9%。600 Pa試驗條件下，21 kHz,25 kHz,34 kHz與40 kHz超聲信號在CO2氣體中的傳播速度約為271.51 m/s。

圖11 CO2環境下光纖信號圖 Fig.11 The acoustic signal of under the CO2 environment

CO2中聲速/(m·s-1)1atm10kPa5kPa1kPa800Pa600Pa各頻率平均聲速/(m·s-1)各頻率平均聲速與理論聲速誤差/%21kHz268.32268268.06269.74272.3271.44269.641.2225kHz263.97264.03262.3275.86271.19269.36267.790.5234kHz260.96270.01275.32264.89276.76274.29270.371.4940kHz266.01264.04265.11267.09270.94270.94267.360.36各氣壓平均聲速/(m·s-1)264.82266.52267.70269.40272.80271.51268.790.90各氣壓平均聲速與理論聲速誤差/%-0.590.050.491.132.411.920.90--

2.3 聲速測量誤差分析

聲速測量誤差主要成因是：①試驗中采用移動工裝機構調節接收和發射換能器之間距離L，聲速計算采用機構控制單元顯示的距離數值，試驗過程中，無法打開環模容器測量實際位移，造成聲速計算誤差，這是誤差產生主要原因；②接收換能器在移動過程中，移動動作會導致自動滑軌微變形，接收換能器與發射換能器存在水平度誤差，因此接收和發射換能器之間的實際距離L并不是用于聲速計算的水平位移，造成聲速計算誤差；③本文基于閾值法確定信號發生器激勵信號初始時刻，光纖F-P傳感器接收信號初始時刻，計算時間差Δt，現場環境中存在著不可預知、強度復雜噪聲，這些噪聲嚴重影響了時延估計Δt的精度，降低了聲速計算的精確性；④環模容器壁法蘭與容器腔體有間隙，會使容器內部純凈CO2氣體與容器外部大氣進行微量氣體交換，難以保證氣體純度，造成氣體γ，M值變化，影響聲速精密測量。

3 結 論

本文針對超聲傳感技術在火星大氣環境下應用需求搭建了一套低氣壓氣體超聲聲速測量試驗系統，可實現不同成分(空氣、CO2)氣體壓力從600 Pa～1 MPa分階段可調，基于光纖法珀振動傳感器進行不同氣體組分、不同壓力、不同距離下中心頻率分別為21 kHz,25 kHz,34 kHz與40 kHz的高精度超聲聲速測量，通過理論計算與大量試驗結果表明：

(1) 膜片式光纖F-P振動傳感器能適應低氣壓環境，并且在600 Pa的CO2氣體中仍然可以接收到超聲波信號；

(2) 在氣體溫、濕度不變條件下，超聲傳播速度與壓力、頻率無關，與氣體成分有關；

(3) 在室溫15 ℃條件下，各頻率超聲信號在600 Pa～1 MPa氣體壓力范圍內，測量平均聲速在CO2環境下為268.79 m/s，低于空氣環境的336.18 m/s；

(4) 獲得了室溫15 ℃，600 Pa氣壓試驗條件下，各頻率超聲信號在CO2氣體中的傳播速度約為271.51 m/s，本文測量得到的低氣壓CO2環境下聲速數據，可為未來火星探測器開展超聲定位、超聲探測等方面的理論與應用研究工作提供試驗基礎數據。

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