專利名稱：次聲波檢測裝置及次聲波檢測方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于次聲波檢測領(lǐng)域，尤其是涉及一種采用單縫衍射檢測次聲波的次聲波 檢測裝置。
背景技術(shù)：
次聲波的頻率范圍在20Hz以下，是人耳聽不到的聲波。目前，檢測次聲波的檢測 裝置一般是電容式次聲傳感器，主要分為單電容和雙電容兩種。請參閱圖1，其是現(xiàn)有技術(shù)單電容次聲檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。該單電容次聲檢 測裝置10包括一密封容器12、一極板14、一靈敏膜片16和一次聲接收電路18。該極板14 固定在密封容器12內(nèi)，并將該密封容器12分隔出前腔122和后腔124。該前腔122和后腔 124通過一毛細泄露管126在外部連通。該靈敏膜片16放置在前腔122內(nèi)，與極板14平 行；與靈敏膜片16平行相對的前腔122的容器壁上具有一進氣孔128。該極板14接地，該 靈敏膜片16與次聲接收電路18電連接。該靈敏膜片16和極板14組成了一個可變電容Cx。次聲波通過進氣孔128進入到 前腔122作用于靈敏膜片16，靈敏膜片16發(fā)生振動形變，使其與極板14之間的距離改變， 從而使該可變電容Cx的電容值改變。次聲接收電路18將電容值的改變信息進一步轉(zhuǎn)換為 電子數(shù)字輸出，從而實現(xiàn)了聲電轉(zhuǎn)換檢測次聲波的相關(guān)信息。請同時參閱圖2，其是圖1所示次聲接收電路18的電路原理圖。該次聲接收電路 18包括一 555處理芯片182、一 8254單片機184、由靈敏膜片16和極板14組成的可變電容 Cx、一電阻和一定值電容C1。該定值電容C1的電容值為0. OliiF。該555處理芯片182的 第4、8引腳接入電源Vcc ；電源Vcc通過電阻Rx與555處理芯片182的第7、6引腳連接， 并通過可變電容Cx接地；555處理芯片182的第5引腳通過定值電容C1接地；555處理芯 片182的第3引腳接入8254單片機184。該555處理芯片和可變電容Cx組成單穩(wěn)觸發(fā)器 對該可變電容Cx電容量的變化進行調(diào)制。在沒有觸發(fā)脈沖時，第2引腳端一直為高電平， 第3引腳端輸出為低電平。當觸發(fā)脈沖到達，跳變到Vcc/3以下時，第3引腳端跳變?yōu)楦唠?平，電路進入暫穩(wěn)態(tài)。Vcc經(jīng)過電阻Rx向可變電容Cx充電，當可變電容Cx電壓充至2Vcc/3 時，第3引腳端被置零，處于低電平。同時可變電容Cx迅速放電，電路恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)。輸出的 脈沖寬度等于暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時間，而暫穩(wěn)態(tài)的持續(xù)時間取決于外接電阻Rx和電容Cx的大小， 即tw = 1. IRxCx所以當電容Cx變化時，555處理芯片182的第3引腳端輸出的脈沖寬度發(fā)生變化。 輸出的脈沖送至脈寬測量電路測量脈沖的寬度，最后輸出送到8254單片機184中。請參閱圖3，其是現(xiàn)有技術(shù)雙電容次聲檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。該雙電容次聲檢測 裝置20包括一密封容器22、一前極板24、一后極板25、一靈敏膜片26和一次聲接收電路 28。靈敏膜片26將該密封容器22分隔出前腔222和后腔224，該前腔222和后腔224通 過一毛細泄露管226在外部連通。前極板24和后極板25分別固定設(shè)置在前腔222和后腔224內(nèi)，并與該靈敏膜片26等距平行。與靈敏膜片26平行相對的前腔222的容器壁上具有 一進氣孔228。該靈敏膜片26接地，前極板24和后極板25與次聲接收電路28電連接。同理，該靈敏膜片26和前極板24及后極板25組成了一個可變電容Cx。次聲波 通過進氣孔228進入到前腔222，由于前腔222和后腔224的壓力變化，靈敏膜片26形變， 使其與兩極板24、25之間的距離改變，從而使該可變電容Cx的電容值改變。次聲接收電路 28將電容值的改變信息進一步轉(zhuǎn)換為電子數(shù)字輸出，從而實現(xiàn)了聲電轉(zhuǎn)換檢測次聲波的相 關(guān){曰息。上述的電容次聲檢測裝置要求結(jié)構(gòu)精細，設(shè)計嚴密，選材嚴格，特別是加工精度要 非常高，其主要零件都要求超精加工。例如，為得到均勻一致的可變電容，極間距的偏差必 須小于0.5 ym，光潔度要達到鏡面。為保證長期穩(wěn)定性，要選用最好的絕緣體，系統(tǒng)內(nèi)還要 求超高潔凈度等。還必須考慮環(huán)境條件對系統(tǒng)勁度的影響，環(huán)境溫度變化所引起傳感器的 ‘零飄’問題。除此之外，電容型次聲測量應(yīng)用范圍僅限于地震監(jiān)測，市場價格高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺點與不足，提供一種單縫衍射的次聲波檢 測裝置。同時，本發(fā)明還提供了 一種通過單縫衍射檢測次聲波的方法。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的一種次聲波檢測裝置，包括一激光器和一振 膜單縫裝置。該激光器用以產(chǎn)生一激光光束。該振膜單縫裝置，包括兩個刀片和一靈敏膜 片。兩個刀片設(shè)置在同一平面上并相互分離形成一單縫；其中一刀片設(shè)置在靈敏膜片的形 變區(qū)域上。靈敏膜片設(shè)于次聲波區(qū)域內(nèi)。該激光光束通過該單縫并產(chǎn)生單縫衍射條紋。當 有次聲波使靈敏膜片產(chǎn)生振動而引起刀片的微振，從而改變所述單縫的縫寬，進而使所述 單縫衍射條紋產(chǎn)生變化。一種次聲波檢測方法，包括如下步驟:A)在一單縫裝置上設(shè)置一振動靈敏薄膜， 使所述振動靈敏薄膜隨次聲波微振時影響所述單縫裝置的縫寬；產(chǎn)生一激光光束，通過所 述單縫裝置并產(chǎn)生第一單縫衍射條紋；B)產(chǎn)生一次聲波影響所述靈敏薄膜振動，從而影響 所述單縫裝置的縫寬，產(chǎn)生一第二單縫衍射條紋；C)比較所述第一單縫衍射條紋和第二單 縫衍射條紋的變化，獲得所檢測的次聲波的信息。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的次聲波檢測裝置利用光束的單縫衍射條紋檢測次聲 波，整體結(jié)構(gòu)簡單，對器件的加工精度要求不高，制作成本低且易于實現(xiàn)。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的次聲波檢測方法將單縫衍射的條紋與縫寬相關(guān)的原理 應(yīng)用于檢測次聲波，提供了 一種檢測次聲波的新的方法。為了能更清晰的理解本發(fā)明，以下將結(jié)合


闡述本發(fā)明的具體實施方式
。

圖1是現(xiàn)有技術(shù)單電容次聲檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是圖1所示次聲接收電路的電路原理圖。圖3是現(xiàn)有技術(shù)雙電容次聲檢測裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是本發(fā)明次聲波檢測裝置較佳實施方式的主視圖。
圖5是圖4所示次聲波檢測裝置的俯視圖。
具體實施例方式請參閱圖4，其是本發(fā)明次聲波檢測裝置的主視圖。該次聲波檢測裝置100包括依 序排列在一條直線上的一激光器110、一擴束器120、一振膜單縫裝置130、一偏振片140、和 CCD(電荷耦合元件)光接收系統(tǒng)150，此外還包括一單片機和顯示屏(圖未示)。請 同時參閱圖5，其是圖4所示次聲波檢測裝置的俯視圖。該振膜單縫裝置130包 括一第一刀片132a、一第二刀片132b和一靈敏膜片134。該第一刀片132a和第二刀片132b 設(shè)置在與激光光軸垂直的平面上，并分離形成一單縫A，激光從該單縫A中穿過。該靈敏膜 片134設(shè)置在同時與激光光軸以及單縫A平行的平面上，并與第一刀片132a垂直接觸。該C⑶光接收系統(tǒng)150設(shè)置在以遮光圓筒內(nèi)(圖未示)，從而有效降低環(huán)境光對 該CCD光接收系統(tǒng)150的影響。此外，由于CCD的感光范圍較小，容易出現(xiàn)過亮而飽和，因 此該偏振片140用以調(diào)整進入該C⑶光接收系統(tǒng)150光束的亮度。該激光器110產(chǎn)生一激光光束，通過擴束器120的擴展后，到達振膜單縫裝置130。 激光光束通過單縫A時發(fā)生了單縫衍射，產(chǎn)生了穩(wěn)定的衍射條紋，該衍射條紋的光強通過 偏振片140的調(diào)整后，在該C⑶光接收系統(tǒng)150中成像。C⑶光接收系統(tǒng)150將成像的光信 號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號，經(jīng)過單片機的處理后，通過外接顯示屏顯示成像的數(shù)字信息。由于衍 射條紋中的亮條紋的寬度與單縫A的寬度以及單縫A和CCD光接收系統(tǒng)150 (即接收屏) 之間的距離相關(guān)，當單縫A和CCD光接收系統(tǒng)150之間的距離不變、且激光光源穩(wěn)定時，衍 射條紋中的亮條紋的寬度則僅與單縫A的寬度有關(guān)。當有次聲波到達時，次聲波的波動帶動靈敏膜片134隨之振動。靈敏膜片134的振 動則使與其接觸的第一刀片132a產(chǎn)生微振，從而使單縫A的縫寬發(fā)生變化。當單縫A的縫 寬發(fā)生變化時，激光光束通過單縫A的衍射條紋會發(fā)生很明顯的變化，通過CCD光接收系統(tǒng) 150的拍攝成像并轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號，經(jīng)過單片機處理后，可在外接顯示屏顯示出次聲波的 相關(guān)信息。在本實施例中，該次聲波檢測裝置100主要用于檢測次聲波的強度和頻率，以下 分別說明檢測次聲波強度和頻率的原理。次聲波波強與單縫衍射條紋的關(guān)系為次聲波傳播時伴隨著能量的傳播，次聲波 的波強反映了次聲波的能量，同時也決定了靈敏膜片134隨之振動的振幅。忽略外界微小 振動、氣流等因素，通過振幅傳遞的線性關(guān)系，可以得到靈敏膜片134的振動最大位移與次 聲波波強成比例。因此，通過CCD光接收系統(tǒng)150讀取單縫衍射條紋的寬度變化值，可以計 算得到靈敏膜片134的振動最大位移，從而測得次聲波的強度。次聲波頻率與單縫衍射條紋的關(guān)系為靈敏膜片134是隨著次聲波的振動而振 動，因此靈敏膜片134的振動頻率與次聲波的振動頻率是一致的，而靈敏膜片134的振動頻 率可通過單縫衍射的衍射條紋變化規(guī)律獲得。因此，f ^isft= 即單縫衍射條紋的寬 度變化頻率等于次聲波頻率；通過CCD光接收系統(tǒng)150讀取單縫衍射條紋的寬度變化頻率， 可以計算得到次聲波的頻率。本發(fā)明可以具有多種變形實施方式，如該靈敏膜片并非必須與第一刀片直接接 觸，僅需將該第一刀片設(shè)置在所述靈敏膜片的形變區(qū)域上，使靈敏膜片的振動可直接引起該第一刀片從而改變單縫縫寬即可，此時需要對測量所得的干涉條紋寬度變化值進行進一 步處理后得到最終的次聲波強度。此外，本發(fā)明還可包括一外殼，所述振膜單縫裝置設(shè)置在 外殼內(nèi)；與靈敏膜片相對的殼壁上設(shè)置一進氣孔，使得進入殼內(nèi)的次聲波垂直作用于靈敏 膜片。本發(fā)明的次聲波檢測裝置可應(yīng)用于環(huán)境測量、地質(zhì)地震監(jiān)測、環(huán)境次聲波檢測等， 此外其直觀性使其能夠作為物理教學(xué)儀器使用和科普知識推廣與實踐運用。
相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明利用激光光束通過單縫A的衍射條紋的光強將靈敏膜片 134隨次聲波振動的位移量放大，然后通過對單縫衍射成像的變化量的測量即可得到次聲 波的振幅和頻率等有關(guān)參數(shù)。該次聲波檢測裝置整體結(jié)構(gòu)簡單，各個主要器件的獲取渠道 方便，對器件的加工精度要求不高，采用普通膜片即可實現(xiàn)次聲波的信息轉(zhuǎn)換，打破了傳統(tǒng) 測量次聲波對儀器精度的限制，其制作成本相對低廉，并且對環(huán)境條件的要求較低，能夠保 證長期的穩(wěn)定性。本發(fā)明并不局限于上述實施方式，如果對本發(fā)明的各種改動或變形不脫離本發(fā)明 的精神和范圍，倘若這些改動和變形屬于本發(fā)明的權(quán)利要求和等同技術(shù)范圍之內(nèi)，則本發(fā) 明也意圖包含這些改動和變形。
權(quán)利要求
一種次聲波檢測裝置，其特征在于包括一激光器，用以產(chǎn)生一激光光束；及一振膜單縫裝置，包括兩個刀片和一靈敏膜片；所述兩個刀片設(shè)置在同一平面上并相互分離形成一單縫；其中一刀片設(shè)置在所述靈敏膜片的形變區(qū)域上；所述靈敏膜片設(shè)于次聲波區(qū)域內(nèi)；所述激光光束通過該單縫并產(chǎn)生單縫衍射條紋；當有次聲波使靈敏膜片產(chǎn)生振動而引起刀片的微振，從而改變所述單縫的縫寬，進而使所述單縫衍射條紋產(chǎn)生變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的次聲波檢測裝置，其特征在于所述靈敏膜片與在其形變區(qū) 域上的刀片垂直接觸，并與所述單縫和激光光軸平行。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的次聲波檢測裝置，其特征在于還包括一CCD光接收系 統(tǒng)，所述單縫衍射條紋在該CCD光接收系統(tǒng)中成像。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的次聲波檢測裝置，其特征在于還包括一擴束器，設(shè)置在 所述激光器與振膜單縫裝置之間，用以擴展所述激光器發(fā)射的激光光束。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的次聲波檢測裝置，其特征在于進一步包括一偏振片，設(shè)置在 所述振膜單縫裝置與所述CCD光接收系統(tǒng)之間，用以調(diào)整進入所述CCD光接收系統(tǒng)之間的 衍射條紋的光強。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的次聲波檢測裝置，其特征在于進一步包括一單片機和一顯 示屏，所述單片機與C⑶光接收系統(tǒng)電連接，用以處理CXD光接收系統(tǒng)傳送的信號，所述顯 示屏與所述單片機電連接，用以顯示單片機處理后的信息。
7.一種次聲波檢測方法，包括如下步驟A)在一單縫裝置上設(shè)置一振動靈敏薄膜，使所述振動靈敏薄膜隨次聲波微振時影響所 述單縫裝置的縫寬；產(chǎn)生一激光光束，通過所述單縫裝置并產(chǎn)生第一單縫衍射條紋；B)產(chǎn)生一次聲波影響所述靈敏薄膜振動，從而影響所述單縫裝置的縫寬，產(chǎn)生一第二 單縫衍射條紋；C)比較所述第一單縫衍射條紋和第二單縫衍射條紋的變化，獲得所檢測的 次聲波的信息。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的次聲波檢測方法，進一步包括以下步驟利用一光電轉(zhuǎn)換系 統(tǒng)將所述第一單縫衍射條紋和第二單縫衍射條紋的變化轉(zhuǎn)換為電信號。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的次聲波檢測方法，進一步包括以下步驟檢測所述第一單縫 衍射條紋和第二單縫衍射條紋的寬度變化值，計算獲得所檢測的次聲波的強度值。
10.根據(jù)權(quán)利要求7所述的次聲波檢測方法，進一步包括以下步驟檢測所述第二單縫 衍射條紋的寬度變化頻率，獲得次聲波頻率。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種次聲波檢測裝置，包括一激光器和一振膜單縫裝置。該激光器用以產(chǎn)生一激光光束。該振膜單縫裝置，包括兩個刀片和一靈敏膜片。兩個刀片設(shè)置在同一平面上并相互分離形成一單縫；其中一刀片設(shè)置在靈敏膜片的形變區(qū)域上。靈敏膜片設(shè)于次聲波區(qū)域內(nèi)。該激光光束通過該單縫并產(chǎn)生單縫衍射條紋。當有次聲波使靈敏膜片產(chǎn)生振動而引起刀片的微振，從而改變所述單縫的縫寬，進而使所述單縫衍射條紋產(chǎn)生變化。本發(fā)明的次聲波檢測裝置利用光束的單縫衍射條紋檢測次聲波，整體結(jié)構(gòu)簡單，對器件的加工精度要求不高，制作成本低且易于實現(xiàn)。
文檔編號G01H9/00GK101871807SQ201010151990
公開日2010年10月27日 申請日期2010年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月16日
發(fā)明者吳麗菲, 唐小煜, 林麗芬, 沈嫻, 黃佐華 申請人:華南師范大學(xué)