超声波和次声波传感器：揭秘神奇声波技术的应用与未来

超声波和次声波传感器：揭秘神奇声波技术的应用与未来

超声波和次声波传感器在现代科技中扮演着重要角色。超声波传感器广泛应用于医疗诊断、工业检测等领域，而次声波传感器则因其独特的传播特性和穿透力，常用于地震监测、气象预报等方面。本文将深入探讨这两种传感器的基本原理及其在现实生活中的广泛应用，带你全面了解它们的独特魅力。

超声波传感器是一种利用高频声波进行非接触测量的设备。其工作原理主要包括发射、传播和接收三个步骤：

1. 发射：传感器内置一个超声波发生器（通常是压电陶瓷或晶体振荡器），产生特定频率的电信号，这个信号通过放大器转化为机械振动，形成超声波脉冲。

2. 传播：超声波脉冲在空气中或介质中以近乎直线的形式向前传播。当遇到物体时，部分声波会被反射回来。

3. 接收：反射回来的声波被传感器的接收器接收到。这个接收器同样是一个压电元件，能够将声波振动转换回电信号。这些信号会被传感器内部的电路处理，计算出声波从发射到接收的时间差。

4. 计算距离：根据超声波在空气中的传播速度（大约是每秒343米，但会因温度和湿度而略有变化）以及信号往返的时间，可以利用公式（2 × 时间差 × 速度）/ 2 计算出物体与传感器之间的距离。

5. 数据处理：通过分析连续的发射和接收信号，传感器可以提供距离信息，或者用于监测物体的移动、速度等动态参数。

超声波传感器因其独特的优势，被广泛应用于多个领域：

• 工业自动化：在生产线上用于精确测量和控制物料的位置和移动。

• 汽车倒车雷达：帮助驾驶员判断后方障碍物的距离，提高安全性。

• 机器人技术：使机器人能够感知周围环境，实现自主导航和避障。

• 智能家居：用于自动门禁系统、安防监控等场景。

次声波传感器是一种能够检测次声波信号的装置，次声波是指频率低于20赫兹的声波，由于其波长较长、能量衰减较慢的特性，能够在远距离传播且不易被干扰，因此在多个领域展现出巨大的应用潜力。

1. 地震监测：可以用于监测地震活动，帮助科学家研究地震的起源、能量释放和传播方式，从而提供地震预警和减灾措施。

2. 气象预测：可以用于监测大气层中的次声波活动，通过分析次声波的频谱和幅度变化，可以提供气象预测信息，如风速、温度、湿度等。

3. 水下通信：可以用于水下通信系统，因为次声波在水中的传播距离较远。它可以用于海洋研究、海底油气勘探、水下无人机操作等应用。

4. 鱼群监测：可以探测水下鱼群的活动和行为，帮助渔民和海洋生态学家研究鱼类迁徙、聚集和繁殖等信息，从而优化渔业资源管理和保护措施。

5. 工业检测：可以用于工业领域的故障诊断和检测，如检测设备的振动、机械零件的磨损和松动等，帮助提前发现和解决问题，提高生产效率和安全性。

6. 声纳系统：可以用于声纳系统，用于探测和定位水下目标，如潜艇、海底管道、遗骸等。它在海洋勘探、军事和海上安全等领域有重要应用。

近年来，光学超声传感器已经成为超声波传感领域中一个重要研究方向。其中具有高品质因子的光学微腔利用其光学共振可显著提高探测精度，近年来已被广泛应用于超声波传感。此外，硅芯片上集成的光学微腔可批量制备，尺寸较小，因此可降低成本和功耗，有望在光声断层扫描等应用中实现较高的空间分辨率。目前，光学微腔已在各种超声传感应用中都展示出了优势和潜力。

中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心的李贝贝特聘研究员团队近年来致力于设计并制备基于回音壁模式光学微腔的超高灵敏度超声波传感器，并取得了一系列进展（Phys. Rev. Applied 2022, 18, 034035; Photon. Res. 2023, 11, 1139）。基于过往的研究和对大量资料文献的总结，该课题组对基于光学微腔的超声波传感器原理及发展进行了梳理，撰写了综述文章“Ultrasound sensing with optical microcavities”（ Light Sci. Appl. 2024, 13, 159）。文中归纳了超声波传感器的应用场景（见图1）。还总结了几类常用的微腔超声波传感器包括：法布里-珀罗（F-P）腔（图2a），π相移布拉格光栅（图2b）与回音壁模式（WGM）微腔（图2c）。F-P腔结构较为简单，如果在F-P腔的一侧使用薄膜结构，则可以实现极高的灵敏度。位于光纤末端的F-P腔可以作为探针式超声波接收器，还可通过集成多个光纤实现阵列传感。然而，与其他光学微腔相比，F-P腔通常具有较大的体积，这限制了它的应用场景。π相移布拉格光栅是另一类重要的光学微腔结构。π相移布拉格光栅具有较小的传感区域，且可以集成在芯片上或光纤上。然而，值得注意的是，π相移布拉格光栅目前所实现的超声波传感灵敏度仍相对较低。WGM微腔通常是闭合的圆形介质结构，光子在其内表面发生连续全反射而被局域其中。在过去几十年中，微纳加工技术的进步极大促进了高品质因子WGM微腔的发展。除了具有极高的光学品质因子之外，WGM微腔还具有小模式体积、适应各种材料体系和形状的优势。

这篇综述概述了基于三种类型的光学微腔的超声波传感机制（见图2d-i），并讨论了如何优化超声波传感器的关键参数，关注了光学微腔实现超声波传感应用的最新进展并对其性能进行了总结（见表1）。此外，本文还介绍了光学微腔超声波传感器在不同探测场景中的应用，例如光声成像、测距和粒子检测等方面，为未来高性能超声波成像和传感技术的发展提供了重要参考。相比于传统压电超声波传感器，先进的光学微腔超声波传感器不仅能提高检测灵敏度和空间分辨率，还具有体积小、集成度高等优势，有望在生物医学成像、工业无损检测等领域带来革命性变革。这种基于光学微腔的新型超声波传感技术，必将为超声波在各领域的应用带来新的机遇和发展空间。

此外，同济大学闫冰教授团队巧妙地将仿生学思想融合于氢键有机框架光激活器件设计之中，制备出超灵敏的听觉-嗅觉光响应柔性仿生传感器，并能同时应用于物理刺激次声波与化学刺激挥发性气体的监测和双峰信息集成，相关研究成果以“Biomimetic Eu@HOF photoactivated sponge as ultrasensitive auditory and olfactory sensor for infrasound wave monitoring and bimodal information integration”为题在线发表于国际知名期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials, 2024, 34, 2401395.)。

研究人员受嗅觉和听觉感知系统的启发，通过高效便捷的浸涂工艺，将氢键有机框架和三聚氰胺海绵融为一体，制备了一例听觉-嗅觉双峰FBS(Eu@HOF-BPTC@MS)。团队详细分析了Eu@HOF-BPTC@MS的听觉响应机制，该听觉传感器对声音具有超高灵敏度(41335.995 cps·Pa−1·cm−2)、超高精密度(RSD<0.20%)、超快响应时间(20 ms)、超低检测限(1.1039 Hz和0.1083 dB)和良好的可回收性(148次循环)。同时它可实时监测4 – 20 Hz内的次声波，并且通过有限元分析，研究人员模拟了其对声音的响应过程。此外，基于人工智能技术，团队研究了Eu@HOF-BPTC@MS嗅觉传感性能。作为嗅觉FBS，该传感器表现出优异的灵敏度，具有ppm水平的响应极限和对四种气味分子的理想选择性，并实现了可穿戴的现场实时检测。最后，通过人机交互，完成听觉和嗅觉信号的集成和互操作。总之，该双峰听觉-嗅觉FBS在实现双模态交互、模拟复杂的生物经系统以及促进环境监测、灾害预警和医疗保健等方面非常有前景。

随着科技的不断进步，超声波和次声波传感器的应用领域将更加广阔。在医疗领域，更高精度的超声成像技术将为疾病诊断带来革命性突破；在工业领域，智能传感器将推动智能制造和自动化技术的发展；在环境保护领域，次声波监测系统将为灾害预警提供更准确的数据支持。

超声波和次声波传感器技术的不断创新，不仅推动了科技进步，还在多个领域为人类生活提供了便利与安全保障。未来，随着传感器技术的不断发展，我们有理由相信，这些神奇的声波传感器将在更多领域展现其独特魅力，为人类创造更加美好的未来。