申请/专利权人：华北电力大学

申请日：2020-12-22

公开（公告）日：2024-01-26

公开（公告）号：CN112509540B

主分类号：G10H3/06

分类号：G10H3/06

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.01.26#授权;2021.07.23#实质审查的生效;2021.03.16#公开

摘要：本发明涉及一种光学琴弦装置，主要包括光学琴弦和光路系统两部分。所述光学琴弦包括具有应变信息传感功能的第一功能型传感光纤和具有位置信息传感功能的第二功能型传感光纤，以及加强单元和保护层；所述光路系统包括光源模块、第一耦合器、光学拾音器以及扬声器；所述光学拾音器包括声音频率信息处理部分和声音强度信息处理部分。利用光学琴弦实现对外力作用点的位置和作用强度的同时传感，进一步利用光学拾音器将外力作用点的位置信息转化为声音频率信息，将外力作用的强度信息转化为声音强度信息，再通过扬声器配合输出，为弦乐器的设计、制备提供了全新的思路，也将极大地丰富弦乐器的表现形式，为乐器领域的发展提供更多的可能性。

主权项：1.一种光学琴弦装置，其特征在于，包括：光学琴弦和光路系统；所述光学琴弦包括第一功能型传感光纤、第二功能型传感光纤、加强单元以及保护层；所述第一功能型传感光纤是具有应变信息传感功能的光纤，其具体结构包括单模光纤纤芯，单模光纤包层和单模光纤涂覆层；所述第二功能型传感光纤是具有位置信息传感功能的光纤，其具体结构包括多模光纤纤芯，多模光纤包层和多模光纤涂覆层；所述光路系统包括光源模块、第一耦合器、光学拾音器以及扬声器；所述光学拾音器包括声音频率信息处理部分和声音强度信息处理部分；其中，所述声音频率信息处理部分将输入的外力作用点的位置信息，处理为声音频率信号，所述声音强度信息处理部分将输入的外力作用强度的信息，处理为声音强度信号；所述光学拾音处理器内部的连接方式为声音频率信息处理部分与声音强度信息处理部分并行连接；所述第一功能型传感光纤是微弯应变传感光纤，所述第二功能型传感光纤是高双折射光纤；所述光学琴弦装置的工作原理：所述光源模块接通电源后，光源发出1310nm中心波长宽谱光束经第一耦合器分为两路等能量但传输方向相反的光束，当外力作用于光学琴弦时，会引起光学琴弦中的第一功能型光纤和第二功能型光纤产生相应的变化：具体的，外力作用使得微弯应变传感光纤中产生模式耦合，导波模泄露，从而引起损耗，通过控制微弯应变传感光纤的形变量的范围，来控制光功率的损耗范围，进而达到控制输出声音强度的目的；其具体传感原理如下：所述微弯应变传感光纤利用光纤微弯损耗效应技术构成，光纤受到微弯扰动时会产生微弯损耗，将随引起光纤微弯扰动物理量的变化而变化，将应变通过微弯调制机构对光纤进行应变调制，可实现对应变的传感；将光纤传感器埋入复合材料，当复合材料试件发生微弯曲时，带动光纤传感器发生弯曲，光纤传感器的弯曲使得在光纤传感器中传输的光由纤芯向包层泄漏，出现泄漏模，从而影响输出光强，弯曲程度愈大，光泄漏愈严重，输出光强愈小，这样，通过监测输出光强就可以监测复合材料的弯应变；设光纤微弯应变量为Δx，其引起的微弯损耗的变化量为Δα，则有：Δα＝KΔx；式中K为灵敏度系数，与光纤的传输特性、微弯调制机构的空间周期和齿数有关；设由微弯损耗的变化量Δα引起的光功率变化量为Δp，在一定范围内Δp与Δα呈线性关系，则有：Δp＝AΔα；式中A为光功率损耗系数；设由光功率变化量Δp经放大后产生的声音强度信号为F，则有：F＝BΔp，式中B为放大电路光电转换系数；经上述推导，则有光纤微弯形变量与输出声音强度F之间的关系式：Δx＝βFD，式中D＝1ABK，β为非理想系数；则光纤最大微弯应变量X与输出声音强度的最大值Fm之间的关系式：X＝βFmD；确定了光纤最大微弯应变量X与输出声音强度的最大值Fm之间的关系以后，通过调整关系式中的各系数，使演奏时光学琴弦上各位置可产生的声音强度范围一致；外力作用使得高双折射光纤的长度、纤芯直径和折射率发生改变，从而引起光纤环中两束相向传输的光的相位在该外力作用点发生变化，两束光相位差的大小与外力作用点位置、外力作用引起光波相位变化速率成比例，利用信号的宽频特性从两束光的相位变化频谱中分析出外力作用点的位置；其具体传感原理如下：高双折射光纤在受到外力作用时，光纤中两偏振模发声耦合，使输出发生变化；再利用连续波调频技术确定外力点的位置，即可实现位置信息传感；当有外力作用在高双折射光纤上时，光线的长度、纤芯的直径和折射率都会发生变化，从而引起光纤环中两束相向传输的光的相位在该点发生变化，两束光相位差的大小与泄露点位置、泄露噪声引起光波相位变化速率成比例，利用信号的宽频特性从两束光的相位变化频谱中分析泄露发生的位置；设光纤总长度为L，泄漏点R距离光纤一端的距离为L1，光比沿光纤传播一周延迟时间τ＝Lnc，其中n为光纤芯的折射率；光线环内两束相向传播的光波从泄露点传播到断点所产生的延迟时间差τd＝nL-2L1c；由此可以导出：L1＝L-cτd2；由上式可以看出，泄露点的位置R与两光波的延迟时间差τd成正比；调制频率与泄露位置L1间的关系为：fm＝Nc2nL-2L1，式中，N为整数，N为奇数时，基频信号输出为最大值；N为偶数时，基频信号输出为零值；通过所述光学拾音处理器中的位置信息处理模块，将获得的调制频率fm转化为位置信息，再将特定弦上的位置信号转化为特定频率输出至扬声器，从而实现了对声音频率的控制。

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百度查询： 华北电力大学 一种光学琴弦装置

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