次声传感器及次声检测技术探究

文家雄,陈 伟

（四川信息职业技术学院电气工程系,四川广元,628017)

0 引言

次声传感器是一种能够有效接收到次声波的传感器，一般来说，为了满足不同的传声需求，通常存在着不同类型的传感器，且传感器的频率范围都维持在0.1Hz ～20Hz 的范围内，特殊情况下某些传感器的下限频率可低至0.00lHz。次声检测技术则是一种能够有效检测出次声波的接收、检测技术，主要以次声传感器为载体，主要应用于次声的检测与监控。实践证明，次声传感器配合以次声检测技术的强化创新，能有效规避由于传统传感器的自身问题所造成的一系列研究结果失准问题，从而为研究人员的研究活动提供有益指导。

1 次声传感器及次声检测技术

次声传感器种类繁杂，主要包括电动式、电容式、波纹管膜盒式、光纤式、磁感应调频式(FMIS)等几种。其中又以电容式传感器为代表，它体积小，使用方便，灵敏度高，能够直接连接记录器进行信号实时模数转换。目前国内外大多数次声观测站所采用传感器设备均为电容式次声传感器，这一类型已经被广泛应用于检测和监控次声波、预报地震冰雹以及其他地球物理相关的研究领域中，对改善人类生产生活有着不可估量的影响作用。

次声检测技术作为次声传感器所赖以存在的关键性因素，近年来科学家正在不断研究探索其新的发展方向与改进方式。具体来说，首要应该通过改进次声接收装置和设计要求，不断提高传感器的工艺精度和灵敏度，保持其频响的一致性。以电容式次声传感器为例，即要求改进传感器的头部结构，保持膜片的厚度一致，严格满足防磁、防尘等基本规范要求；其次是要利用现代智能传感器技术来提高传感器的自动化水平，通过检验并提升数据实时采集分析处理能力，以便完成同时使用多个传感器进行野外远程次声检测作业的实际工作需求，从而大幅度地提高了次声等级检测与次声源定位的精准度；第三是通过设置最新的大区域网络次声检测阵列，最大程度地扩大传感器发展作用的范围，通过在广阔的领域设置大量传感器阵列，在处理过程中采用次声定位的算法来计算所接收到的信息，从而及时准确地确定次声源的位置。在检测阵列的设置要求中，既要保证各传感器的一致性，又要降低风噪声对检测系统的影响作用，这就要求研究人员既要实现阵列中的各传感器在灵敏度和相位上的一致性，也要进行次声传感器抗风噪声系统的相关开发研究。

2 当前出现的次声传感器和次声检测技术

当前出现的次声传感器与次声检测技术主要有以下几种类型。第一类是法国MB20OO 系列传感器。这种传感器的发展历史比较悠久，早期被广泛应用在国际次声监测站上。实际上该类传感器其本质为内置数字电路的波纹管膜盒型微气压计，由于波纹管需要持续浸泡在硅油中，因而在应用中MB20OO 系列传感器具有稳定性较差、灵敏度低、频率响应不平直等问题，详见下图1；第二类是美国阿拉斯加大学的model 系列传感器。Model 系列传感器均属于电容式次声传感器，频率范围在0.O1Hz～10HZ之间。与法国MB20OO 系列传感器相比，model 传感器的下限频率较低，这就说明model 能够检测出频率更低的次声波；而与其他型号的电容式次声传感器相比较，model 传感器的各项声学性能指标一般。因此，这种传感器使用于环境温度变化比较大的环境，适于长期使用，详见下图2；第三类是中国CDC-ZB 型次声传感器和电动式次声传感器。这是中国科学院声学研究所研制的新型电容式次声传感器，它吸收了传统的电容式微气压计的作用原理，并在此进出上做了多项改进措施，从而大幅度地提高了其灵敏度。CDC-ZB 传感器的外壳和电容膜片都在整体上进行了有效的优化设计，从而保证其在运行过程中能够不受外界低频振动的干扰。该类传感器的突出特点在于便携性优异，整机重量不足2Kg，操作便捷；最后是由中国科学院在早起研发的电动式次声传感器，这种一种检测大气次声波的传感器。它不需要供电内部由膜片、线圈、永磁体等三部分构成。当传感器检测到外界次声波的存在，膜片在次声波的作用下会与线圈一起在永磁体产生的磁场中运动，通过感应在线圈两端所生成的电压，进而对次声波幅值进行有效的检测作用。电动式次声传感器的优势在于不需要外部供电，通过由于其体积较大，因而比较适合在没有充足供电条件的环境下长期工作。

图1 法国MBZ000 系列次声传感器

图2 美国Model 系列次声传感器

3 次声传感器和次声检测技术的发展研究

传感器设计原理是根据次声的特性来决定的，当次声波在大气中进行传播，会产生较为明显的空气扰动现象，进而对空气的压力、密度及其质点的位移都能够造成不同程度的影响。根据次声传播的特点，检测次声波的次声传感器也就应运而生。目前来说电容式次声传感器的使用范围与使用频率最为广泛，然而在实际状况中传感器依然存在着灵敏度低、相位一致性差、温度偏移大等问题。以电容式次声传感器为例，其最为关键的位置在头电容处，其设计原理为通过将厚度小于5 微米的膜片精确在后极板的上方，从而长时间保持二者之间一定的静态距离，这就对后极板与固定材料的硬度提出了很高的要求。如果硬度较低，那么后极板就较易受温度和体积的影响，静态距离也就很容易发生变化，从而对测量系统工作的稳定性直接造成影响。这给研究人员以有效警示，在设计传感器时，要尤其注重和传感器的设计结构、材料选择和制作工艺选用。此外，次声传感器不仅仅能够检测次声，而且还具有传声功能，这也就要求相关人员要重视声学设计结构，通过完善其前腔、后腔的设计，确保系统在测量频率范围内的良好频响特性。

当前研究人员应当大力发展的次声检测技术主要包括智能传感器检测技术、高性能微处理机检测技术与大区域网络次声监测阵列技术等。具体来说，智能传感器检测技术通过对电路进行控制从而实现对电路的有机调理，在成功建构起高速高分辨率模数转换模块的同时完善精密测量采集系统，并采用数字信号处理器与大容量高速闪存存储器等组成信号处理及通讯系统，从而完成对远程数据通讯的全自动测量、分析和处理的要求。高性能微处理机检测技术是一种近年来崭露头角的次声波检测技术，高性能微处理机是智能检测硬件电路的核心。这一技术对硬件设备的通用性要求较高，在实际运行活动中能够通过实时控制的形式对次声波进行及时的检测，体积较小，速度较快，抗干扰能力强，可靠性高，因此广泛应用中众多的次声波检测工作领域当中。需要指出的是，智能传感器检测技术与高性能微处理机检测技术的实际投入使用，都需要相关人员通过可靠的标定方法标定某个频率段或者频率点，从而对传感器的各项性能指标如灵敏度等进行有效的监控。这说明，在次声传感器的研究活动中,必须要有相应的可靠的次声传感器实验室标定设备和方法为依托。大区域网络化次声传感器阵列检测技术则是根据当前次声传感器所普遍存在的灵敏度低、一致性差等问题所提出的一种新型次声检测方法。通过在几百公里的范围内布置大量的传感器阵列，并采用声波定位算法来处理所接收到的信号，从而有效确定次声源的位置。大区域网络化次声传感器阵列的正常活动需要较高的一致性，这就在客观上促进了一致性校准系统的发展进步，并在次声传感器抗风噪声系统的研究方面取得了新的研究成果。

4 结语

综上所述，科学合理的次声研究能够帮助人类更好地预测自然灾害，从而为人类正常生产生活提供有益指导。针对当前次声传感器普遍存在的灵敏度低、一致性差等问题，研究人员只有在分析传感器和检测技术发展研究进程的基础上，才能探索出次声传感器与次声检测技术在新时代的发展新方向。

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