基于超高Q值CaF₂谐振腔的超高灵敏度声传感器系统，实现弱声信号检测

基于光子检测技术的声传感利用高灵敏度光子探测器将光信号转换为电信号，当外部声信号耦合形成声-光-电传感逻辑时，探测器可以实现快速响应。极低的噪声和高灵敏度使其提供了弱声信号检测的能力。结合高检测效率和时间精度的优势，它在过去十年中吸引了广泛的研究兴趣，并在工业无损检测、自然灾害预警、医疗健康诊断和光声成像等应用中显示出巨大的潜力。

据麦姆斯咨询报道，近日，由中北大学唐军、刘俊教授领导的联合研究团队在Microsystems & Nanoengineering期刊上发表了题为“An ultrahigh sensitivity acoustic sensor system for weak signal detection based on an ultrahigh-Q CaF2 resonator”的论文，提出了一种基于超高Q值CaF₂谐振腔的超高灵敏度声传感器系统。结合锁频技术，当Q值选择为1.02 × 10⁸时，在10 kHz频率下其灵敏度可达到11.54 V/Pa，高于其他光学谐振腔声传感器。所提出的声传感系统的最小可检测声压级低至9.4 µPa/√Hz，在弱声检测、声源定位、睡眠监测和其他语音交互应用领域中具有重要的应用价值。

回音壁模式（WGM）光学谐振腔的超高品质因数（Q）和小模式体积显著增强了光与物质的相互作用。重要的是，超高Q值对应于极窄的传输光谱，通过检测频移或传输光谱展宽可以获得更高的解析分辨率，理论上使其成为超高灵敏度声传感的优秀平台。此外，与传统压电效应的电传感器相比，它还具有抗电磁干扰的优点。

从物理机制的角度来看，基于WGM谐振腔的声传感主要源于两种机制：分散耦合响应和耗散耦合响应。分散耦合响应是声波通过机械效应调制谐振腔的折射率和几何形态，导致谐振腔的谐振频率发生偏移，其灵敏度达到280 mV/Pa。耗散耦合响应是通过声波调制使谐振腔的耦合条件发生变化，导致耦合损耗发生变化，从而使传输光谱线宽变宽或变窄。

高质量的语音信号采集和重建，特别是在噪声背景下进行精确的语音识别，需要结合超高灵敏度、宽带响应和低噪声的声传感器。特别是，声传感器在低频带具有高响应，因此迫切需要开发在宽频率范围内具有超高灵敏度的声学传感技术。在所有WGM谐振腔中，氟化钙（CaF₂）晶体谐振腔具有独特的优势。

一方面，在1550 nm处Q > 10¹¹的CaF₂谐振腔已被报道，这在理论上将声学灵敏度提高了几个数量级。通过进一步灵活地调整CaF₂谐振腔的结构，可以获得有利于检测弱声信号的低噪声等效压力（NEP）。另一方面，CaF₂谐振腔支持不同Q值的多种模式，通过锁频技术可以实现超高灵敏度和宽动态响应范围的快速切换。

在本论文中，研究人员提出了一种基于超高Q值CaF₂谐振腔的超高灵敏度声传感器系统，利用其分散响应机制检测弱声信号。结合实际加工工艺，通过结构设计和验证，研究人员制造了半径为5.0 mm、厚度为0.1 mm的CaF₂谐振腔。在实验中，使用锁频技术，选择Q值为1.02 × 10⁸时，在10 kHz频率下其灵敏度达到11.54 V/Pa。该结果高于其他光学谐振腔声传感器。

同时，CaF₂谐振腔声传感器系统的最小可检测声压级低至9.4 µPa/√Hz，显著提高了检测分辨率。该传感系统具有36.4 dB的良好指向性和20 Hz–20 kHz的宽带频率响应范围，不仅可以实现以墙体为障碍物的远距离（9 m）语音信号采集和重建，还能在噪声环境中准确识别和分离多个语音。该传感系统在弱声检测、声源定位、睡眠监测和其他语音交互应用领域中具有重要的应用价值。

图1a显示了“7”字形CaF₂谐振腔声传感器系统的测量设置示意图，其中包括可调谐激光器、隔离器、光电探测器（PD）、信号发生器（SG）、功率放大器（PA）、示波器（OSC）、PID控制器和锁定放大器（LIA）。扬声器和谐振腔接收到的电压信号如图1b所示。图1c显示了谐振频谱的偏移随声压的变化（0.0–0.4 Pa）。

图1 CaF₂谐振腔声传感器的性能表征

不同频率（0.7、6和10 kHz）、不同强度（从0.01到0.44 Pa）的声学信号被施加到耦合系统以进行CaF₂谐振腔声传感器的性能评估，如图2所示。

图2 CaF₂谐振腔声传感器的性能评估

矢量性是声传感器的灵敏度随声波方向变化的特性，通常用指向性图表示，也是矢量声传感器区别于标量声传感器的独特特征。在测量矢量声传感器的方向特性时，旋转装置驱动扬声器沿水平轴旋转360°，同时测量矢量传感器在各个方向上的灵敏度，最终得到矢量传感器的指向性图。CaF₂谐振腔声传感器的矢量和频率响应的表征如图3所示。

图3 CaF₂谐振腔声传感器的矢量和频率响应的表征

音频在不同的角度（0°、30°、60°、90°）和不同距离（10 cm和9 m）处分别播放以进行语音采集测试，如图4a所示。图4b显示了CaF₂谐振腔声传感器在0–90°时的响应曲线，在90°处其响应幅值最大，随着角度的逐渐减小，电压幅值响应也逐渐减小。图4c、图4d为CaF₂谐振腔声传感器分别在10 cm和9 m距离处重建声信号的时域图和频谱图。由于传感器系统的超高灵敏度和信噪比（SNR）、良好的线性度和宽带频率，重建的音频信号可以对应模拟声音信号的每一节拍，并且传感器系统在9 m的距离处仍然可以清晰地显示音乐特征。实验结果充分验证了该传感器系统的超高灵敏度和微弱信号检测能力。

图4 不同角度（0°、30°、60°、90°）和不同距离（10 cm和9 m）处的语音采集测试与重建结果

CaF₂谐振腔声传感器系统不仅可以检测微弱信号，而且可以准确地识别和分离多个声音。研究人员将两个不同的音乐片段同时作用于传感系统的中心，以验证其区分不同声音信号的能力。图5a显示了同时播放不同频率音乐片段的情况，其中一个主要集中在100–1000 Hz，另一个主要集中在1–10 kHz。CaF₂谐振腔传感系统采集的频率响应图如图5b所示。实验是在一个含有各种不同的声源的超净室里完成的，包括各种仪器的工作噪声、空调的声音、一个相对高频的雨水信号的声音，如图5c所示。传感系统分离后得到的时域信号如图5d所示，信号语音大约是环境噪声的15倍。实验结果表明，即使在有背景噪声的实验室中，CaF₂谐振腔声传感器系统仍然可以完成多个声源的分离。

图5 CaF₂谐振腔声传感器系统在语音识别与分离中的应用

综上所述，在本研究中，研究人员提出了一种基于超高Q值CaF₂谐振腔的超高灵敏度声传感器系统。当谐振腔的半径从2.0变为5.0  mm，厚度从1.0减小到0.1 mm时，由声压引起的谐振腔半径的变化增加到1.13 × 10⁻⁷ mm/Pa。相应的谐振波长漂移也增加了两个数量级以上，即3.5 × 10⁻⁵  nm/Pa。结合锁频技术，当Q值选择为1.02 × 10⁸时，在10kHz频率下，其灵敏度可轻松达到11.54 V/Pa，高于其他光学谐振腔声传感器。同时，所提出的传感系统的最小可检测声压级低至9.4 µPa/√Hz，这显著提高了检测分辨率。该CaF₂谐振腔声传感器系统具有36.4 dB的良好指向性和20 Hz–20 kHz的宽带频率响应范围，不仅可以实现以墙体为障碍物远距离（9 m）的语音信号采集和重建，还能在噪声环境中准确识别和分离多个语音。该器件的优异性能使其在弱信号检测中具有巨大的应用潜力。

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