低气压CO2环境下基于光纤法珀振动传感器的超声声速测试与分析

张景川, 杨晓宁, 王 晶, 崔寒茵, 李 超

(1.北京卫星环境工程研究所，北京 100094；2.中国科学院声学研究所声场声信息国家重点实验室，北京 100190)

火星探测是深空探测的热点，对火星大气和气候、空间环境和地貌等问题的研究是火星探测的重要内容[1-2]。未来火星探测器将携带多类型声传感器载荷，用于开展火星探测科学任务。NASA的Mars2020 Rover预计携带1个被动声传感记录仪[3]，用于监听火星可能存在的声音信号(沙尘暴、放电、环境噪声等)； Banfield[4]提出主动声传感器可用于未来火星任务，测量火星风速、地形、探测软地层和前方避障，保障火星探测器安全；Lin等[5-6]从2015年开始逐步开展火星声音记录、超声避障及其超声风速仪研究。

理论上认为只要有气体介质存在，就会有声波传播，然而，火星表面大气环境与地球不一致，大气成分主要是CO2，风速0 m/s～15 m/s，压力范围600 Pa～1 000 Pa[7-8]，声波在火星大气中传播的性质将发生变化。Williams[9]、Bass和Chambers[10]、Petculescu等[11]分别从多个大气声学简化模型出发，用不同数值模拟方法分析了声波在低压、CO2气体中的声速和声衰减等特性。

为了分析超声传感技术在火星探测、预警等方面的应用可行性，亟需开展低气压CO2环境中超声波传播特性及传播可行性研究。光纤法珀 (Fabry-Perot, F-P)传感器灵敏度高，不受电磁干扰和低气压放电[12]的影响，是一种准确、有效的在线振动监测传感器[13-14]。本文搭建了一套低气压气体超声声速测量试验系统，基于光纤F-P振动传感器开展了不同气体成分(空气、CO2)、压力范围600 Pa～1 MPa、不同距离下中心频率分别为21 kHz,25 kHz,34 kHz与40 kHz的高精度超声声速测量试验，获得了CO2气体600 Pa低气压环境下声速数据，并对试验结果进行了分析。

1 试验设计

1.1 试验系统

低气压CO2环境声学特性试验系统(以下简称，试验系统)组成如图1所示，由环模容器、真空获得子系统、超声波发射子系统、超声波接收子系统、移动机构及光纤传感子系统组成。

图1 试验系统组成示意图 Fig.1 Block diagram of test system

真空获得子系统由旋片泵与真空规构成，旋片泵将环模容器内部压力由常压抽气至600 Pa水平，真空规对容器内部压力进行精确测量，应用现场如图2所示。

图2 环模容器外部现场图 Fig.2 The test system in field

环模容器内部直径800 mm，有效长度1 600 mm，漏率小于1.0×10-4Pa·L/S，可以保证在600 Pa条件下，5 min时间内气压变化小于±10 Pa，满足试验工况所需压力保持时长要求，如图3所示。

图3 压力曲线 Fig.3 Block diagram of air-tightness detection system

超声波发射子系统由信号发生器(HP33120A)、高频功率放大器(Model75A250A 10 kHz～250 MHz)与声发射换能器构成。超声波接收子系统由示波器(Tektronix DPO3032)、信号滤波放大电路(自研)与声接收换能器构成，其中声发射、接收换能器均为21 kHz、25 kHz、34 kHz、40 kHz四种频率的压电式换能器。信号发生器输出信号端分A、B两路：①A路接示波器用于测量输出信号；②B路连接高频功率放大器，通过环模容器密封法兰的穿壁测控电缆与容器内部的声发射换能器连接。环模容器内部接收换能器通过穿墙测控电缆连接容器外部号滤波放大电路，信号滤波放大电路的输出连接示波器，完成数据存储与显示，应用现场如图4所示。

图4 环模容器内部现场图 Fig.4 The internal of vacuum vessel

图5 移动工装机构现场图 Fig.5 The moving mechanism in field

移动工装机构由固定支架、滑轨与控制单元构成。如图5所示，声发射、接收换能器固定在支架上，支架安装在滑轨上，声发射换能器支架固定安置在滑轨尾端，声接收换能器支架安装在滑轨滑块上，控制单元通过穿墙测控电缆，控制环模容器内部的滑轨滑块，调节声接收换能器与发射换能器之间的距离，移动工装机构减少了开关环模容器泄复压的次数，保证了声接收、发射换能器之间距离的改变处于同一试验环境，避免了开关容器造成气体成分与环境温湿度因素的改变对超声传播特性产生附加影响。

光纤传感子系统主要包括：光纤F-P振动传感器与光纤传感解调模块，如图6所示。光纤F-P振动传感器固定在声接收换能器顶部，并置于声发射换能器正前方，光纤F-P振动传感器膜片朝向声源，感受到超声振动信号通过光纤传输到解调模块后，经过计算机软件读取并存储，用于后续声速数据分析处理。

图6 光纤传感器布放现场图 Fig. 6 The optical fiber sensor in field

1.2 试验工况

本文采用了21 kHz、25 kHz、34 kHz、40 kHz四种频率的压电式发射和接收换能器，据此设计了4级试验工况，考核了3个收发间距，每个工况在每个间距2种气体成分下细分为6个子工况，共计144个子工况，工况设置见表1。

表1 试验工况Tab.1 The test conditions

每级工况按如下流程进行：

(1) 将21 kHz发射、接收换能器固定在支架上，调整间距为40 cm，关闭环模容器大门，此时容器内部压力为1个大气压即100 000 Pa，用100 V电压脉冲周期为10周，重复频率为5 Hz的21 kHz电信号驱动发射换能器，记录声接收换能器信号；

(2) 进入2级子工况，调节容器内部压力为10 000 Pa；

(3) 依次完成21 kHz间距为40 cm的6级子工况；

(4) 将压强抽至10 Pa，向容器内部充入纯CO2气体至1个大气压，用100 V电压脉冲周期为10周，重复频率为5 Hz的21 kHz 电信号驱动发射换能器，记录声接收换能器信号，依次调节气压10 000 Pa、5 000 Pa、1 000 Pa、800 Pa、600 Pa，完成CO2气体成分下21 kHz间距为40 cm的6级子工况；

(5) 考虑到气压低于1 000 Pa，存在真空放电现象，要测试相距60 cm不同气压条件下21 kHz声传播特性，需要待步骤(4)完成后，先将容器内部压力恢复至1个大气压，然后驱动滑轨，将21 kHz发射、接收换能器两者间距调整为60 cm，重复步骤(1)～(4)开始完成间距为60 cm的6级子工况；

(6) 重复步骤(5)，完成间距为80 cm空气与CO2环境下的6级子工况；

(7) 将容器内部压力恢复至1个大气压，打开环模容器大门，将25 kHz发射、接收换能器固定在支架上，同理按照步骤(1)～(6)，依次完成工况2；

(8) 同理按照步骤(1)～(7)，依次完成工况3和工况4，最终完成所有频率不同气体成分、不同气压、不同距离环境下声传播特性试验。

1.3 声速测试原理

本文采用的光纤F-P振动传感器为膜片式非本征型光纤法布里-珀罗传感结构[15]，如图7所示，采用1.2 μm厚的有机聚合物薄膜作为敏感元件感知外界声振动信号，法珀微腔由光纤端面和传感膜片构成，法珀干涉结构的两个反射面则由膜片的内表面(反射面1)和光纤端面(反射面2)构成，同时该结构也在法珀微腔和外界大气之间形成了一个垂直通孔。正是由于该结构的存在，使法珀微腔能够与外界大气保持压强平衡，可以避免腔内空间密闭所造成的密闭气体阻尼的影响。

如图7所示，当外界声振动信号以声压的形式作用于膜片上时，膜片将发生弹性形变，使得法珀腔长发生改变，引起反射光强的变化。入射光在法珀腔中形成多光束干涉，干涉输出光强可以表示为：

(1)

图7 光纤F-P传感器 Fig.7 Optical fiber F-P sensor

式中：I0为入射光光强；R1、R2分别为法珀腔反射面1与反射面2的有效反射率；δ=4πnL/λ0；λ0为光源中心波长；n为法珀腔内介质的折射率；d为法珀腔两个反射面之间的腔长，膜片的有效反射率与光纤端面接近，且远小于1，又因为法珀腔的介质为空气，其折射率近似等于1，因此，可以将法珀腔模型近似为双光束干涉，式(1)进一步简化为：

(2)

法珀腔长d的变化量与声振动信号的大小存在线性关系，干涉输出光强Ir通过单模光纤传输到光纤传感解调单元，经光电探测及信号调理电路后输出电压信号，通过相位解调，获得法珀强腔长d的变化量，从而还原声波信号的原始特征。

图8 光纤传感子系统组成框图 Fig. 8optical fiber sensor sub-system

如图8所示，试验过程中，将发射换能器与相应的接收换能器对准，并将光纤F-P振动传感器固定在声接收换能器顶部，且其膜片与接收换能器的前表面对齐。在各个试验工况下，信号发生器(HP33120A)产生一定频率的驱动信号通过功放驱动声发射单元发出相应频率的超声波，声波在环模容器中传播一定距离后，到达声接收端。

图9 声速计算原理图 Fig.9 The computing principle of the speed of sound

如图9所示，光纤传感解调模块同步采集信号发生器信号S0与光纤F-P振动传感器信号S1，则两个信号之间会存在一定的时间差Δt，该时间差Δt反映出声波在一定距离下传播所耗的时间，因此，声速v计算公式如下：

(3)

式中：v为声速；L为声发射单元与声接收单元之间距离；fs为采样频率200 kHz；d0为信号发生器激励信号初始时刻；ds为光纤F-P传感器接收信号初始时刻。

2 试验分析

2.1 大气环境下超声信号分析

通过理想气体状态方程推导气体理论声速为：

(4)

式中：γ代表气体比热比(即气体定压比热容与定容比热容之比)；R代表普适气体常数；R=8.31 Jmol-1K-1，T代表绝对温度(K)；t代表摄氏温度(℃)；M代表气体分子质量。以空气为研究对象，取γ=1.403，M=28.97 gmol-1，环模容器内部温度t=15 ℃，则根据式(4)

可得，当环模容器内部为空气时，理论声速v为：

(5)

环模容器内部充入大气，在不同压力不同距离的试验条件下，光纤F-P传感器测得声信号如图10所示。

如图10所示，光纤F-P传感器能适应低气压大气环境，并在600 Pa低气压环境下仍可接收超声信号。图10中所示光纤传感器输出信号，为归一化后信号，当气压从100 000 Pa降至600 Pa时，超声信号衰减严重，信号信噪比降低，在对信号幅值进行归一化处理后，噪声随之放大，表现为600 Pa环境下，噪声幅值明显大于常压下噪声幅值。分析图10所示信号时域波形，可确定信号发生器信号与光纤F-P振动传感器信号的时域波形起始时刻，获得两个信号时间差，根据式(3)可计算得空气环境下，不同压力，不同频率超声信号声传播速度，如表2所示。

声速误差计算公式如下：

(6)

式中：v0代表声速理论值；v1代表声速测试值。

通过分析表2中数据，当温度和湿度不变时，超声声速随气压、频率的变化很小，可以忽略不计，这与气体理论声速计算公式(4)所示，声速与气体成分、湿度、温度等相关，与压力、频率无关的结论是一致的。空气理论声速为340.54 m/s，室温15 ℃下空气声速测试平均值为336.18 m/s，与理论值比较，空气声速测试值平均误差约为-1.28%。600 Pa气压试验条件下，21,25,34与40 kHz超声信号在空气中的传播速度约为336.19 m/s。

图10 大气环境下光纤信号图 Fig.10 The signal of under the atmospheric environment

空气中声速/(m·s-1)1atm10kPa5kPa1kPa800Pa600Pa各频率平均声速/(m·s-1)各频率平均声速与理论声速误差/%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各气压平均声速/(m/s-1)336.31335.84336.99335.13336.61336.19336.18-1.28各气压平均声速与理论声速误差/%-1.24-1.38-1.04-1.59-1.15-1.28-1.28--

2.2 CO2环境下超声信号分析

以CO2气体为研究对象，取γ=1.304，M=44 gmol-1，环模容器内部温度t=15 ℃，则根据式(4)可得，当环模容器内部为CO2气体时，理论声速为：

(7)

环模容器内部充入CO2气体，在不同压力不同距离的试验条件下，光纤F-P传感器测得声信号如图11所示。

为适应低气压CO2环境，提高探测灵敏度，光纤F-P传感器采用1.2 μm厚薄膜作为F-P腔的一个反射面，当气压降低，气体密度减小时，膜片阻尼振荡减弱，自由振荡增强。因此，在600 Pa低气压情况下，当光纤F-P传感器接收超声信号激励时，膜片的自由振荡导致传感器输出信号展宽与拖尾。F-P传感器的敏感膜片与气体介质之间存在声阻抗，当声阻抗和声波频率满足一定条件时，会使得敏感膜片产生高阶谐振，导致传感器输出信号失真；其次，膜片灵敏度较高，对于环模容器内部各位置与各角度的声波反射信号十分敏感，容器内的声波模场在气压和气体成分变化时也随之发生变化，因此，受声波模场变化和超声反射信号叠加影响，光纤F-P传感器输出信号也会出现波形失真情况，但并不影响声速计算。

由表3可得，CO2气体中，声速随气压、频率变化可以忽略，室温15 ℃下CO2气体中声速测量平均值约为268.79 m/s，与公式(7)计算的理论结果266.39 m/s相近，测量声速误差约为0.9%。600 Pa试验条件下，21 kHz,25 kHz,34 kHz与40 kHz超声信号在CO2气体中的传播速度约为271.51 m/s。

图11 CO2环境下光纤信号图 Fig.11 The acoustic signal of under the CO2 environment

CO2中声速/(m·s-1)1atm10kPa5kPa1kPa800Pa600Pa各频率平均声速/(m·s-1)各频率平均声速与理论声速误差/%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各气压平均声速/(m·s-1)264.82266.52267.70269.40272.80271.51268.790.90各气压平均声速与理论声速误差/%-0.590.050.491.132.411.920.90--

2.3 声速测量误差分析

声速测量误差主要成因是：①试验中采用移动工装机构调节接收和发射换能器之间距离L，声速计算采用机构控制单元显示的距离数值，试验过程中，无法打开环模容器测量实际位移，造成声速计算误差，这是误差产生主要原因；②接收换能器在移动过程中，移动动作会导致自动滑轨微变形，接收换能器与发射换能器存在水平度误差，因此接收和发射换能器之间的实际距离L并不是用于声速计算的水平位移，造成声速计算误差；③本文基于阈值法确定信号发生器激励信号初始时刻，光纤F-P传感器接收信号初始时刻，计算时间差Δt，现场环境中存在着不可预知、强度复杂噪声，这些噪声严重影响了时延估计Δt的精度，降低了声速计算的精确性；④环模容器壁法兰与容器腔体有间隙，会使容器内部纯净CO2气体与容器外部大气进行微量气体交换，难以保证气体纯度，造成气体γ，M值变化，影响声速精密测量。

3 结 论

本文针对超声传感技术在火星大气环境下应用需求搭建了一套低气压气体超声声速测量试验系统，可实现不同成分(空气、CO2)气体压力从600 Pa～1 MPa分阶段可调，基于光纤法珀振动传感器进行不同气体组分、不同压力、不同距离下中心频率分别为21 kHz,25 kHz,34 kHz与40 kHz的高精度超声声速测量，通过理论计算与大量试验结果表明：

(1) 膜片式光纤F-P振动传感器能适应低气压环境，并且在600 Pa的CO2气体中仍然可以接收到超声波信号；

(2) 在气体温、湿度不变条件下，超声传播速度与压力、频率无关，与气体成分有关；

(3) 在室温15 ℃条件下，各频率超声信号在600 Pa～1 MPa气体压力范围内，测量平均声速在CO2环境下为268.79 m/s，低于空气环境的336.18 m/s；

(4) 获得了室温15 ℃，600 Pa气压试验条件下，各频率超声信号在CO2气体中的传播速度约为271.51 m/s，本文测量得到的低气压CO2环境下声速数据，可为未来火星探测器开展超声定位、超声探测等方面的理论与应用研究工作提供试验基础数据。

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