《Sensors and Actuators A: Physical》：Acoustic sensor based on Sagnac interferometer on optical fibre for implementation in air and water environments
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为解决传统电声传感器在复杂环境中易受电磁干扰、带宽受限等问题，研究人员开展了一项基于光纤Sagnac干涉仪的声学传感研究。该研究开发了一种无需重新配置即可在空气和水中工作的声学传感器，其在4-8 kHz频段的平均灵敏度达120.7±7.1 mV/Pa，对空气中声信号的信噪比超过40 dB。这项工作证明了光纤传感器在跨介质声学探测中的应用潜力，为恶劣环境下的声学监测提供了新方案。
在日常生活中，声音无处不在，对声信号的探测和分析在环境监测、生物声学、通信和国防等诸多领域都扮演着关键角色。然而，传统的电声传感器，如驻极体电容麦克风和压电换能器，在复杂环境中工作时常常“水土不服”。它们容易受到电磁场的干扰，在特定的配置下带宽受限，在严苛或腐蚀性的环境中也显得不够“皮实”。那么，有没有一种传感器能够“免疫”电磁干扰，同时又能适应各种不同的工作环境，比如既能上天（在空气中），又能入水（在水下）呢？
答案是肯定的。科学家们将目光投向了光学纤维。光纤传感器凭借其抗电磁干扰能力强、灵敏度高、耐恶劣环境等优点，成为了传统传感器极具吸引力的替代方案。其中，基于干涉原理（例如马赫-曾德尔、迈克尔逊、法布里-珀罗和萨格纳克干涉仪）的光纤传感技术，因其高灵敏度和易于实现复用传感，在声学探测领域得到了广泛研究。特别是萨格纳克干涉仪，它结构简单，采用全光纤配置，对环境变化具有天然的鲁棒性，是用于严苛环境声学传感的“潜力股”。
尽管已有不少关于萨格ac传感器在单一介质（空气或水）中应用的研究，但很少有工作系统地评估同一套传感器在两种不同介质中的表现。这留下了一个有趣的问题：能否设计一种基于光纤萨格纳克干涉仪的声学传感器，在不改变其任何内部组件的情况下，无缝切换于空气和水两种截然不同的传播介质，并保持良好的性能？为了解决这个问题，来自墨西哥国立自治大学应用科学与技术研究所的Emiliano-Ehecatl Garcia-Unzueta、G.E. Sandoval-Romero和Fernando Velazquez-Carreon团队开展了一项创新研究，并将成果发表在了传感器领域的知名期刊《Sensors and Actuators A: Physical》上。
研究人员开展这项研究的核心，是设计和验证一个基于基本萨格纳克干涉仪的光纤传感系统。他们构建了完整的传感平台，包括超辐射发光二极管、光学耦合器、环形器、隔离器、偏振控制器、光电探测器和长达10公里的延迟线圈，核心传感器则是一个绕在芯轴上的光纤线圈。该系统的工作原理是，光源发出的光被分为顺时针和逆时针传播的两束光，它们在传感光纤处因声压波扰动而产生不同的相位变化，最终在耦合器中汇合发生干涉，其光强变化被光电探测器捕获并转换为电信号。研究的关键技术方法包括：首先，搭建并优化基于光纤萨格纳克干涉仪的声学传感硬件系统；其次，设计并实施了分别在空气和水中测量传感器频率响应、信噪比和灵敏度的实验方案；最后，利用数字信号处理技术（如计算功率谱密度和典型自由场响应）对采集到的声信号进行对比分析，并与商用MEMS麦克风的测量结果进行交叉验证，以评估所研发传感器的性能。
2. 基于光纤萨格纳克干涉仪的声学传感器
研究人员详细阐述了所设计传感器的光学原理。当缠绕在芯轴上的传感光纤受到随时间变化的声压波P(t)作用时，会产生相位调制φ(t)。该系统的关键在于，两束反向传播的光到达传感光纤的时间不同（分别为τcw和τccw），因此由声压引起的相位变化也存在时间差。最终，两束光在耦合器处汇合，产生的干涉光强与总相位差Δφ(t)相关。通过光电探测器测量这个干涉光强，就能解调出原始的声信号。研究指出，传感器的响应φh取决于芯轴的物理设计（几何形状、材料、填充物等），而延迟线圈的长度和芯轴缠绕长度等系统参数也会影响其灵敏度和工作带宽。本文实现的传感器系统，其传感光纤为单模G.652.D光纤，光学元件工作波长为1550 nm，最终将光信号转换为电压信号进行采集和处理。其核心组成部分如下图所示：
2.1. 声学传感系统性能分析方法学
为了评估传感器性能，研究人员在空气和水中分别设计了实验。在空气中，他们将所开发的萨格纳克传感器与一个商用的Knowles MEMS麦克风（型号SPH0645LM4H）进行对比。声源是一个专业的KRK有源监听音箱，发出50 Hz到20 kHz的正弦信号。传感器和声源被放置在固定位置。在水中，声源则换成了一个用乳胶气球包裹以防水的扬声器。通过分析传感器测得的信号，研究人员计算了其功率谱密度，用于估计信噪比，并比较了传感器与麦克风的典型自由场响应。信噪比的计算基于信号（声源开启时）与背景噪声（声源关闭时）的均方根功率之比。此外，研究人员还通过将传感器信号与校准的声级计测量值关联，估算了传感器在空气中的灵敏度。
3. 传感器对空气中声信号的性能分析
结果表明，萨格纳克传感器能够有效测量空气中的声信号。在频率范围上，传感器在较低频率（100-8000 Hz）的响应与MEMS麦克风相似，但在更高频率处有所下降。传感器在某些频率点（如1200 Hz）呈现出局部响应最大值，这被认为是传感芯轴的共振频率。在信噪比方面，未经任何后处理的萨格纳克传感器在整个可听频率范围内的信噪比低于MEMS麦克风，但在50-8000 Hz范围内仍处于可接受水平。研究人员进一步估算了传感器的灵敏度。在4 kHz到8 kHz这个被认为工作带宽的频率范围内，传感器的平均灵敏度为0.1207 ± 0.0071 V/Pa。这意味着，传感器在此带宽内能稳定工作，并对声压变化有良好的响应。基于此，研究人员还计算了传感器在不同频率下的最小可探测压力。
4. 萨格纳克传感器对水中声信号的性能分析
研究证实，在不更改任何组件的情况下，萨格纳克传感器同样能够测量水中的声信号。为了对比，研究人员使用了一个涂覆聚合物以防水改装的MEMS麦克风作为参考。分析传感器和参考麦克风测得的信号功率谱密度、信噪比和归一化典型自由场响应后发现，两者的响应趋势具有一致性。在低频（200-2000 Hz）和高频（5000-6000 Hz）区域，响应均出现最大值，而在4000 Hz附近则出现下降。研究人员认为，这种一致的响应模式主要是由声源（本非为水下设计）的特性及其与水箱壁的相互作用（如共振）共同决定的，而非传感器本身的缺陷。这一结果至关重要，它直接证明了萨格纳克传感器能够在不做任何改动的情况下，有效适应水介质并完成声学测量。
5. 讨论
本研究的主要目标在于验证所提出的传感系统是否具备在不重新配置设计或组件的情况下，测量在不同介质中传播的声信号的能力。对空气中测量数据的分析表明，经过平滑处理的萨格纳克传感器响应曲线与MEMS麦克风报告的响应特性基本一致，两者均在低频段（约50-12000 Hz对麦克风，50-8000 Hz对萨格纳克传感器）呈现较为平坦的响应，在高频段则下降。虽然萨格纳克传感器的信噪比较低，但分析其功率谱可发现，特定的噪声频率分量（如约200 Hz和1000 Hz）是主要原因。对水下测量数据的分析进一步强化了核心结论：萨格纳克传感器与防水MEMS麦克风呈现出高度相似的响应趋势，这清晰地表明传感器成功捕获了由声源和水箱环境决定的声学特征，而非其自身的工作异常。
综上所述，这项研究成功设计并验证了一种基于光纤萨格纳克干涉仪的声学传感系统。该系统的关键创新和重要结论在于其卓越的环境适应性：同一套传感器无需任何重新配置，即可分别在空气和水两种介质中有效工作。在空气中，传感器在4-8 kHz带宽内表现出稳定的灵敏度（平均0.1207 ± 0.0071 V/Pa）和可接受的性能；在水中，其测量结果与经过防水处理的参考麦克风响应趋势高度一致。这项工作不仅证明了萨格纳克干涉仪结构在跨介质声学传感中的应用可行性，更突显了光纤传感器在电磁干扰免疫性和环境鲁棒性方面的固有优势。该研究成果为未来开发适用于海洋监测、分布式声学传感、城市环境声源探测及生物声学等多种场景的、灵活可靠的新型声学传感器阵列奠定了重要的实验基础。
