基于光子檢測技術的聲傳感利用高靈敏度光子探測器將光信號轉換為電信號，當外部聲信號耦合形成聲-光-電傳感邏輯時，探測器可以實現快速響應。極低的噪聲和高靈敏度使其提供了弱聲信號檢測的能力。結合高檢測效率和時間精度的優勢，它在過去十年中吸引了廣泛的研究興趣，并在工業無損檢測、自然災害預警、醫療健康診斷和光聲成像等應用中顯示出巨大的潛力。

據麥姆斯咨詢報道，近日，由中北大學唐軍、劉俊教授領導的聯合研究團隊在Microsystems & Nanoengineering期刊上發表了題為“An ultrahigh sensitivity acoustic sensor system for weak signal detection based on an ultrahigh-Q CaF2 resonator”的論文，提出了一種基于超高Q值CaF?諧振腔的超高靈敏度聲傳感器系統。結合鎖頻技術，當Q值選擇為1.02 × 10?時，在10 kHz頻率下其靈敏度可達到11.54 V/Pa，高于其他光學諧振腔聲傳感器。所提出的聲傳感系統的最小可檢測聲壓級低至9.4?μPa/√Hz，在弱聲檢測、聲源定位、睡眠監測和其他語音交互應用領域中具有重要的應用價值。

回音壁模式（WGM）光學諧振腔的超高品質因數（Q）和小模式體積顯著增強了光與物質的相互作用。重要的是，超高Q值對應于極窄的傳輸光譜，通過檢測頻移或傳輸光譜展寬可以獲得更高的解析分辨率，理論上使其成為超高靈敏度聲傳感的優秀平臺。此外，與傳統壓電效應的電傳感器相比，它還具有抗電磁干擾的優點。

從物理機制的角度來看，基于WGM諧振腔的聲傳感主要源于兩種機制：分散耦合響應和耗散耦合響應。分散耦合響應是聲波通過機械效應調制諧振腔的折射率和幾何形態，導致諧振腔的諧振頻率發生偏移，其靈敏度達到280?mV/Pa。耗散耦合響應是通過聲波調制使諧振腔的耦合條件發生變化，導致耦合損耗發生變化，從而使傳輸光譜線寬變寬或變窄。

高質量的語音信號采集和重建，特別是在噪聲背景下進行精確的語音識別，需要結合超高靈敏度、寬帶響應和低噪聲的聲傳感器。特別是，聲傳感器在低頻帶具有高響應，因此迫切需要開發在寬頻率范圍內具有超高靈敏度的聲學傳感技術。在所有WGM諧振腔中，氟化鈣（CaF?）晶體諧振腔具有獨特的優勢。

一方面，在1550?nm處Q >?1011的CaF?諧振腔已被報道，這在理論上將聲學靈敏度提高了幾個數量級。通過進一步靈活地調整CaF?諧振腔的結構，可以獲得有利于檢測弱聲信號的低噪聲等效壓力（NEP）。另一方面，CaF?諧振腔支持不同Q值的多種模式，通過鎖頻技術可以實現超高靈敏度和寬動態響應范圍的快速切換。

在本論文中，研究人員提出了一種基于超高Q值CaF?諧振腔的超高靈敏度聲傳感器系統，利用其分散響應機制檢測弱聲信號。結合實際加工工藝，通過結構設計和驗證，研究人員制造了半徑為5.0 mm、厚度為0.1 mm的CaF?諧振腔。在實驗中，使用鎖頻技術，選擇Q值為1.02 × 10?時，在10 kHz頻率下其靈敏度達到11.54 V/Pa。該結果高于其他光學諧振腔聲傳感器。

同時，CaF?諧振腔聲傳感器系統的最小可檢測聲壓級低至9.4?μPa/√Hz，顯著提高了檢測分辨率。該傳感系統具有36.4 dB的良好指向性和20?Hz–20?kHz的寬帶頻率響應范圍，不僅可以實現以墻體為障礙物的遠距離（9?m）語音信號采集和重建，還能在噪聲環境中準確識別和分離多個語音。該傳感系統在弱聲檢測、聲源定位、睡眠監測和其他語音交互應用領域中具有重要的應用價值。

圖1a顯示了“7”字形CaF?諧振腔聲傳感器系統的測量設置示意圖，其中包括可調諧激光器、隔離器、光電探測器（PD）、信號發生器（SG）、功率放大器（PA）、示波器（OSC）、PID控制器和鎖定放大器（LIA）。揚聲器和諧振腔接收到的電壓信號如圖1b所示。圖1c顯示了諧振頻譜的偏移隨聲壓的變化（0.0–0.4?Pa）。

圖1 CaF?諧振腔聲傳感器的性能表征

不同頻率（0.7、6和10 kHz）、不同強度（從0.01到0.44 Pa）的聲學信號被施加到耦合系統以進行CaF?諧振腔聲傳感器的性能評估，如圖2所示。

圖2 CaF?諧振腔聲傳感器的性能評估

矢量性是聲傳感器的靈敏度隨聲波方向變化的特性，通常用指向性圖表示，也是矢量聲傳感器區別于標量聲傳感器的獨特特征。在測量矢量聲傳感器的方向特性時，旋轉裝置驅動揚聲器沿水平軸旋轉360°，同時測量矢量傳感器在各個方向上的靈敏度，最終得到矢量傳感器的指向性圖。CaF?諧振腔聲傳感器的矢量和頻率響應的表征如圖3所示。

圖3 CaF?諧振腔聲傳感器的矢量和頻率響應的表征

音頻在不同的角度（0°、30°、60°、90°）和不同距離（10 cm和9 m）處分別播放以進行語音采集測試，如圖4a所示。圖4b顯示了CaF?諧振腔聲傳感器在0–90°時的響應曲線，在90°處其響應幅值最大，隨著角度的逐漸減小，電壓幅值響應也逐漸減小。圖4c、圖4d為CaF?諧振腔聲傳感器分別在10 cm和9 m距離處重建聲信號的時域圖和頻譜圖。由于傳感器系統的超高靈敏度和信噪比（SNR）、良好的線性度和寬帶頻率，重建的音頻信號可以對應模擬聲音信號的每一節拍，并且傳感器系統在9 m的距離處仍然可以清晰地顯示音樂特征。實驗結果充分驗證了該傳感器系統的超高靈敏度和微弱信號檢測能力。

圖4 不同角度（0°、30°、60°、90°）和不同距離（10 cm和9 m）處的語音采集測試與重建結果

CaF?諧振腔聲傳感器系統不僅可以檢測微弱信號，而且可以準確地識別和分離多個聲音。研究人員將兩個不同的音樂片段同時作用于傳感系統的中心，以驗證其區分不同聲音信號的能力。圖5a顯示了同時播放不同頻率音樂片段的情況，其中一個主要集中在100–1000 Hz，另一個主要集中在1–10?kHz。CaF?諧振腔傳感系統采集的頻率響應圖如圖5b所示。實驗是在一個含有各種不同的聲源的超凈室里完成的，包括各種儀器的工作噪聲、空調的聲音、一個相對高頻的雨水信號的聲音，如圖5c所示。傳感系統分離后得到的時域信號如圖5d所示，信號語音大約是環境噪聲的15倍。實驗結果表明，即使在有背景噪聲的實驗室中，CaF?諧振腔聲傳感器系統仍然可以完成多個聲源的分離。

圖5 CaF?諧振腔聲傳感器系統在語音識別與分離中的應用

綜上所述，在本研究中，研究人員提出了一種基于超高Q值CaF?諧振腔的超高靈敏度聲傳感器系統。當諧振腔的半徑從2.0變為5.0 ?mm，厚度從1.0減小到0.1?mm時，由聲壓引起的諧振腔半徑的變化增加到1.13?×?10?? mm/Pa。相應的諧振波長漂移也增加了兩個數量級以上，即3.5?×?10??? nm/Pa。結合鎖頻技術，當Q值選擇為1.02 × 10?時，在10kHz頻率下，其靈敏度可輕松達到11.54 V/Pa，高于其他光學諧振腔聲傳感器。同時，所提出的傳感系統的最小可檢測聲壓級低至9.4?μPa/√Hz，這顯著提高了檢測分辨率。該CaF?諧振腔聲傳感器系統具有36.4 dB的良好指向性和20?Hz–20?kHz的寬帶頻率響應范圍，不僅可以實現以墻體為障礙物遠距離（9?m）的語音信號采集和重建，還能在噪聲環境中準確識別和分離多個語音。該器件的優異性能使其在弱信號檢測中具有巨大的應用潛力。

論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41378-023-00540-0