Современные акустические датчики на основе волоконной оптики сталкиваются с двумя ключевыми проблемами. Во-первых, из-за вибраций, перепадов температуры и нестабильности лазера начальная фаза интерференционного сигнала постоянно «плывет». Это создает сильные низкочастотные помехи (1/f-шум), ухудшая соотношение сигнал/шум, особенно на низких частотах. Интерференционные полосы становятся нестабильными, и сигнал нельзя напрямую преобразовать в звук. Чтобы решить эту проблему, нужно жестко зафиксировать рабочую точку интерферометра — обычно в квадрантуре.

1/f-шум (фликкер-шум) — это помехи, мощность которых обратно пропорциональна частоте. Они «забивают» полезный сигнал на низких частотах, как шипение старого радиоприемника. В датчиках он возникает из-за нестабильности материалов, температуры или лазера.

Сейчас для этого используют оптические спектрометры, чтобы отслеживать спектр интерференции и подстраивать длину волны лазера, или сканируют полосы, чтобы найти и зафиксировать середину. Но перед каждым измерением систему приходится калибровать заново — интерференция со временем дрейфует, и это ограничивает практическое применение.

Команда профессора Вэньмина Чжана и доцента Лей Шао из Шанхайского университета Цзяо Тун разработала волоконно-оптический акустический датчик с методом стабилизированной трехфазной демодуляции (STPD). Он подавляет 1/f-шум без предварительной калибровки и снижает уровень шума до 173 мкрад/√Гц. STPD одновременно демодулирует фазу и стабилизирует интерференцию, позволяя напрямую получать звуковой сигнал в компактной и недорогой системе.

Результаты опубликованы в издании Advanced Devices & Instrumentation.

Кроме того, ученые создали мембрану с лабиринтной структурой, которая резонирует на трех частотах: 1500 Гц, 6500 Гц и 9400 Гц. Это дает высокую чувствительность в широком диапазоне и линейный отклик на звуковое давление в 115,72 дБ. В итоге датчик охватывает частоты от 20 Гц до 15 кГц, с максимальной чувствительностью 1,02 рад/Па и минимально различимым давлением 81,84 мкПа/√Гц на резонансе.

Где это пригодилось:

• Экология — датчик уловил пение птиц и мяуканье кота в лесу.
• Распознавание речи — на основе STPD сделали систему с Transformer, которая снизила количество ошибок.
• Ударные волны — датчик точно записал хлопки шариков и удары сваи, совпадая с показаниями профессионального шумомера.

Этот датчик сочетает широкополосную мембрану и STPD, который сам стабилизирует интерференцию без калибровки. Он компактный, энергоэффективный и подходит для умных голосовых систем.

Исследование решает две практические проблемы: убирает необходимость калибровки перед каждым использованием и резко снижает низкочастотные шумы. Это значит, что датчик можно применять в полевых условиях — например, для мониторинга шумов в лесу или на производстве без постоянной настройки. Вторая важная вещь — линейность отклика на резонансных частотах. Обычно датчики либо чувствительные, но работают в узком диапазоне, либо широкополосные, но с искажениями. Здесь удалось совместить оба качества, что критично для распознавания речи: система меньше ошибается даже при фоновых шумах.

Метод STPD требует специализированной схемы для трехфазной демодуляции — хотя авторы называют ее «упрощенной», интеграция в массовые устройства (например, смартфоны) пока под вопросом. Кроме того, мембрана с лабиринтной структурой, скорее всего, сложна в производстве, и ее долговечность не проверена в агрессивных средах.

Ранее ученые разработали самый маленький точный лазер.