CN101065652A - 声压传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明描述了一种用于感应声信号的器件(10)。该器件包括：柔性部分(14)，该柔性部分(14)包括激光有源区域(13)，该激光有源区域(13)的发射波长根据作用在该柔性部分(14)上的机械力而变化；以及柔性支承构件(24)，该柔性支承构件(24)可操作为根据声信号而伸缩或弯曲。该柔性部分(14)与该支承构件(24)耦合以使得该柔性部分根据该支承构件(24)而伸缩或弯曲，从而改变该柔性部分(14)的激光有源区域(13)的发射波长。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于检测声信号的传感器。特别地，本发明涉及一种适合于作为水听器而部署在水下环境中的无源声学传感器。
背景技术
声学传感器主要基于电子压电器件，其中压电材料的变形引起电压改变，该电压改变可以利用适当的电子元件来测量。然而，这些器件基本上需要本地仪器，其不利于诸如部署在水下阵列中的水听器之类的遥感应用，并且导致传感器比期望的更加庞大更加复杂。这是由于数据和电源电缆以及预放大要求使得具有该性质的水听器阵列难以部署和维护。基于压电的器件的其它一些缺点包括其对电磁干扰的敏感性从而减小了其总的灵敏度，以及由于其有源电子元件使得它们可能会被其他各方检测到的事实。
为此，已经进行了多种尝试来开发基于光纤技术的声学传感器(参见例如C K Kirkendall和A Dandridge的“Overview of High PerformanceFibre-Optic Sensing(高性能光纤感应综述)”，J.Phys.D：Appl.Phys.37，R197-R216，2004)。一种尝试使用分布式反馈光纤激光器(DFB FL)，其特性包括很窄的激光波长输出和配置为在不同波长上操作的能力，使得它们适合于波分复用(参见例如D J Hill，P J Nash，D A Jackson，D JWebb，S F O’Neill，I Bennion和I Zhang的“A Fibre Laser HydrophoneArray(光纤激光水听器阵列)”，Proc.SPIE，3860，55-66，1999)。
这些传感器基于这些激光器的重要特征，即所发射的激光的频率(或等价波长)对光纤上引入的应变敏感。应该理解，这源于光纤激光器的谐振腔尺寸以及那些经受应变的区域中的光纤折射率的改变。然而，尽管这些器件由于在“湿端”不需要电子仪器而且具有将多个传感器复用在单根光纤中的能力，从而相对于基于电子的器件而言提供了多种优点，但是已经发现它们对所关心的多种水听器类型的应用不够敏感。同样，已经发现它们固有地对非声学振动敏感，使得它们对于许多应用而言具有不可接受的噪声。
一些针对增大分布式反馈光纤激光器的灵敏度的尝试包括将光纤封装在环氧树脂或聚亚安酯的圆柱中从而形成环绕光纤激光器的激光有源区域的心轴。尽管环绕分布式反馈光纤激光器的腔体和关联区域的光纤体积增大稍微改善了应变对压力的灵敏度，但是它仍不足以用于诸如水听器之类的那些需要极高灵敏度的应用。另外，以这种方式修改的分布式反馈光纤激光器由于为增加应变对压力的灵敏度而增加的包层材料的质量而使得谐振频率整体变低。
现有技术中还有些尝试通过将光纤激光器的两端附接到机械结构使得光纤处于与吉他弦相类似的张力下来提高灵敏度。这种结构配置为响应于压力改变而拉长或压缩，从而使光纤发生应变。这些器件仅解决了增强压力灵敏度的问题，而没有解决同样重要的关于固有的振动噪声灵敏度的问题，并且事实上在某些环境下它们会增大噪声灵敏度。
本发明的目的是提供一种适合作为水听器而部署的基于光纤激光器技术的声学传感器。
发明内容
在本发明的第一方面中，相应地提供了一种用于感应声信号的器件，所述器件包括：
柔性部分，所述柔性部分包括激光有源区域，所述激光有源区域的发射波长根据作用在所述柔性部分上的机械力而变化；以及
柔性支承构件，所述支承构件可操作为根据所述声信号而伸缩或弯曲，其中所述柔性部分与所述支承构件耦合以使得所述柔性部分根据所述支承构件而伸缩或弯曲，从而改变所述柔性部分的所述激光有源区域的发射波长。
因为柔性支承构件通过直接使得柔性部分伸缩而有效地放大了声信号的效应，这就得到了具有更大灵敏度的声学传感器。
优选地，所述柔性部分包括包含所述激光有源区域的伸长的柔性光纤，所述伸长的柔性光纤附接到所述支承构件以使得所述伸长的光纤根据所述支承构件而伸缩或弯曲。
因为柔性支承构件使得光纤随着其轴相对于中立弯曲轴的偏移而伸缩，这就有效地放大了支承构件的任何弯曲对光纤的影响。另外，因为光纤本质上就是趋向于伸缩的，所以以这种方式使得光纤弯曲和伸缩将不会不适当地破坏光纤然而仍然能够使得来自激光有源区域的发射波长发生可测量的改变。
优选地，所述伸长的柔性光纤附接到所述支承构件以使得所述伸长的柔性光纤以基本上与所述支承构件共同的曲率半径而伸缩或弯曲。
这是一种可采用的方便的配置，因为光纤将以可预测的并且可计量的方式相对于支承构件而弯曲。
优选地，所述伸长的柔性光纤在包含所述激光有源区域的预定长度上附接到所述支承构件。
根据声学传感器的要求，可能必需将一定长度的光纤直接附接到支承构件。
可选地，所述伸长的柔性光纤在沿所述光纤的至少两个离散点处附接到所述支承构件。
通过将光纤附接到在沿支承构件的至少两个离散点处，可以在不需要沿一定长度的光纤附接光纤的情况下使光纤伸缩或弯曲。
优选地，所述支承构件是伸长的并且基本上与所述伸长的光纤对准。
在本发明的第二方面，相应地提供了一种用于感应声信号的器件，所述器件包括：
伸长的柔性光纤，所述柔性光纤包括激光有源区域，所述激光有源区域的发射波长根据作用在所述光纤上的机械力而变化；
柔性支承构件，所述支承构件可操作为伸缩或弯曲，其中所述伸长的柔性光纤附接到所述支承构件以使得所述伸长的光纤与所述支承构件一起相应地伸缩或弯曲，从而改变所述光纤的所述激光有源区域的发射波长；以及
施力装置，其用于施力并且使得所述柔性构件根据所述声信号而弯曲或伸缩。
在这方面，施力装置使得柔性构件根据声信号而弯曲。通过将施力装置与柔性构件分离，施力装置可以设计为仅对声压敏感而对诸如牵连加速度之类的可能影响传感器灵敏度的其它物理效应不敏感。
附图说明
将参考附图讨论本发明的优选实施例，其中：
图1是根据本发明第一实施例的声学传感器的侧面示意图；
图2是图1中说明的声学传感器的端视图；
图3是图1中说明的声学传感器的侧视图，其描述了分布式反馈光纤激光器由于支承构件相对于光纤的凹陷弯曲而发生的构造改变；
图4是图1中说明的声学传感器的侧视图，其描述了分布式反馈光纤激光器由于支承构件相对于光纤的凸起弯曲而发生的构造改变；
图5是根据本发明第二实施例的声学传感器的侧面示意图；
图6是图5中说明的声学传感器的侧面示意图，其描述了声压的效应；
图7是图5中说明的声学传感器的透视图；
图8是可适合于模拟本发明不同实施例的声学传感器的弹簧质量模型。
在下面的描述中，贯穿附图的多个视图，相同的参考符号表示相同或对应的部分。
具体实施方式
现在参考图1和图2，示出了根据本发明第一实施例的声学传感器10的相应的侧视图和端视图。声学传感器10包括分布式反馈光纤激光器14，其结合了中心的有源腔体或激光区域13和布拉格光栅单元16、18，该光栅单元16、18也位于腔体13的相对侧的增益介质中。布拉格光栅单元16、18的组合效应是使得发射具有由中心的有源腔体或激光区域13限定的波长的激光。在该实施例中，光纤纤芯中充满了铒离子，该铒离子充当有源增益介质，并且通过980nm(或1480nm)的泵浦辐射来提供泵浦能量。
光纤激光器14沿着其长度附接到由铝构成的伸长的柔性条状体(beam)，该条状体具有尺寸53mm(L)×1mm(T)×2mm(W)。该条状体的精确尺寸和材料特性将取决于较宽范围的考虑，这些考虑包括要检测的声学波长的范围和要获得的灵敏度。尽管在该实施例中，利用了棱柱状铝条状体，但是本领域的普通技术人员应该清楚对于本发明同样可以应用响应于声信号而伸缩或弯曲的通用支承构件。因此，并不特别要求支承构件是伸长的并且与光纤对准。
现在参考图3和图4，示出了正在操作的声学传感器10。因为光纤激光器14沿着其长度通过胶或者诸如润滑脂等合适的粘性材料附接到柔性条状体24的一侧，由于声压而引起的条状体24的任何伸缩或弯曲将使得光纤激光器14根据条状体24而伸缩或弯曲。在图3中，光纤激光器14被描述为附接到经受弯曲的条状体24的凸起侧15。光纤激光器14所发生的应变将随着条状体24的弯曲的曲率半径减小而增大。现在转到图4，光纤激光器14被描述为附接到经受弯曲的柔性条状体24的凸起侧17。很清楚，对光纤激光器14的压缩将随着条状体24的弯曲的曲率半径减小而增大。为了确保光纤激光器14根据条状体而弯曲，其可以附接到已经处在预拉伸状态下的条状体24。
本领域的普通技术人员容易想到，在操作中，声学传感器10将配置为以这样的方式得到支承，即支承构件将在声压的影响下发生伸缩的方式。一种说明性的安装配置包括立方体形状的支承，其具有五个刚性侧面和六个柔性侧面，形成对声压敏感的振膜。于是，该支承构件适合于安装在振膜上。
尽管在本实施例中光纤激光器14附接到柔性条状体24的平坦表面，但是很清楚可以本发明可以应用到这样的支承构件，其可以包括光纤激光器14所附接到的曲线的或者不规则的支承表面。另外，尽管在该第一实施例中，光纤激光器14沿着其整个长度附接到条状体24，但光纤激光器14同样可以附接在离散的附接点处，唯一的要求是光纤激光器14依据条状体24而弯曲或伸缩。
很清楚，利用分布式反馈光纤激光器提供了其发射波长对物理环境敏感的激光有源区域的便利的实施例。然而，包括激光有源区域的其它柔性部分或者构件被认为在本发明的范围内。
一个例子包括在支承构件上直接沉积诸如硅石之类的光学材料层，以便具有预定的不均匀的折射率和/或其它光学特性以形成包括布拉格光栅的光波导。接着通过向介质中添加稀土离子从而形成激光有源区域使得对应于布拉格光栅的波导部分在光学上是活性的。接着，可以在柔性硅石层的一端或两端经由光纤连接将光束耦合进或者耦合出波导。当经由该光学端耦合提供光泵浦功率时，将在具有支承构件的伸缩或弯曲的波导的激光有源区域中形成分布式反馈激光器，使得关联的激光波长根据本发明而改变。
本领域的普通技术人员容易想到，声学传感器10由于其增大的压力灵敏度而特别适合于部署为水听器。声学传感器10可以集成在本领域中已知的结合了多个传感器的波分复用系统中，其中每个传感器在离散的波长处发射激光。这些波长中每一个波长的改变将表明在关联的传感器处存在声信号，从而提供与现有技术的水听器阵列相比具有增大的灵敏度的水听器阵列。
通常要求水听器部署在移动的或拖曳的阵列配置中，结果使得声学传感器会经受将被检测为噪声的各种牵连加速度(bulk acceleration)。现在参考图5、图6和图7，示出了根据本发明第二实施例的声学传感器50，其适合于结合到出现牵连加速度的系统中。声学传感器50结合了一对相反的振膜或网状单元44、46，其布置在柔性支承构件28的任意一侧。
顶振膜44包括一对内部的支点或枢轴点36、38，其邻近支承构件28的顶表面并且布置在光纤激光器14的腔体区域的相对侧上。底振膜46包括一对外部的支点或枢轴点32、30，其邻近支承构件28的底表面并且处在靠近支承构件28的边缘的位置处。顶振膜44和底振膜46在其周边分别由顶部的柔性构件40和底部的柔性构件41进行支承。这些膜进一步在其各自的外边缘处附接到框架42。以这种方式，顶振膜44和底振膜46在声压的作用下将经历朝着支承构件28的向内的位移，但是将在牵连加速度的作用下共同被加速，从而充分减小了这些加速度对检测到的声压的影响。
在图6中可以最佳地看出，声压将使得顶振膜和底振膜向内移动，从而使得顶支点36、38和底支点32、30也一起移动。由于沿着支承构件28而布置四个支点，支承构件28的伸缩或弯曲以及因此的光纤激光器14的伸缩或弯曲以预定的方式分布。为了最大化波长移动的效果以及因此的传感器50的灵敏度，支点或枢轴点36、38、32、30布置为使得光纤激光器14在激光作用的光功率最高的那些区域中的伸缩或弯曲最大，并且还布置为最小化牵连加速度的影响。最高光功率的区域是谐振腔，其通常位于光纤激光器14的中心区域。
现在参考图8，示出了适合于在低频下模拟水听器设计的弹簧质量图100，在该水听器设计中通过条状体的伸缩而在光纤激光器中引入应变。在该模型中，条状体的伸缩是由与外部压力环境接触的机械器件在条状体150上施加的力所引起的。假设向条状体施加力的每个活塞130、140通过有效弹簧刚度为km的膜110、120附接到外部体。还假设每个活塞130、140与外部压力域接触的表面积为Ap。出于机械目的，条状体150表现为刚度为kb且质量为mb的(伸缩)弹簧。通过比较单位压力向条状体150施加的力(其正比于
)和单位加速度向条状体150施加的力(其直接正比于mb)，推导出下面的品质因数FOM：
因子4是几何增益因子，在本例中其将应用于声学传感器50的4点条状体机构。因此，FOM提供了对压力灵敏度与加速度灵敏度的比率的鲁棒性测量，其具有较高的表示增大的压力灵敏度的值。
因此，一种配置声学传感器50的说明性方式包括：
1.保证顶振膜44和底振膜46具有基本相同的质量；
2.保证顶部的柔性构件40和底部的柔性构件41具有基本相等的弹性系数(弹簧常数)；
3.保证条状体的弹性系数、膜的弹性系数、条状体的质量和振膜的面积已最优地配置为使得FOM“最大化”；
4.通过保证外部支点或枢轴点32、30离支承构件28边缘的距离基本上等于内部支点或枢轴点36、38到支承构件28中心的距离来基本上平衡施加在条状体上的剪切力和动量。
为了优化相对于激光器模形状的条状体曲率，可以应用以下的通用设计原理：
1.因为单模分布式反馈光纤激光器中的光功率分布的峰值主要在光栅中心附近并且因为激光器波长对应变的灵敏度根据以下关系与用光功率分布进行了加权的局部应变沿光栅的积分有关：
Δλ～∫strain×|E|2dz
其中|E|2正比于光强，于是激光器在光栅正中心对应变最敏感，并且在位于器件长度中心的10％到20％之外实际上对应变不敏感。
2.在分布式反馈光纤激光器安装到柔性支承构件的情况下，光纤中任意点处的应变将正比于支承构件的局部曲率乘以光纤离支承构件的中心轴的位移。
3.当支承构件在压力或加速度的作用下承受一组点负载时，本发明的第二实施例就属于这种情况，支承构件的曲率沿着其轴不是均匀的，而是在激励点处趋向于最大。此处，申请人发现在该配置中支承构件的曲率在条状体的中心具有其最大值，该条状体的中心对应于光栅中心，在该处，激光器具有对应变的最大灵敏度。
4.通过模拟激光器的性能特性，支承构件的曲率可以设计为在激光器的整个敏感区域上是均匀的并且为高，从而达到最优的压力灵敏度。相反，此处申请人还发现在纯加速度下，在支承构件的中心区域中波长移动或Δλ被最小化。因此，通过相对于激光器的光功率分布来优化振膜或致动器布置的几何构造，有可能使加速度灵敏度相对于次优构造减小至少20dB。
本领域的普通技术人员将明白，传感器50接着可被结合到移动的或拖曳的水听器阵列中，该阵列具有那些基于光纤技术的系统的优点但是还具有最大的灵敏度。特别地，可以应用本发明来基本上消除在增加深度时出现的非声学背景压力改变的影响。
在该第二实施例中，发现声学传感器50在2500kHz的第一声学谐振之下的频率上对100μPa量级及以上的声压敏感。这可以与无支承的光纤激光器进行比较，无支承的光纤激光器仅对超过1000μPa的压力敏感。因此，支承构件24可以看作是将光纤激光器14所测量的声压的效应的幅度放大了将近两个数量级。
尽管已经在前述的详细描述中描述了本发明的优选实施例，但是应该理解本发明不限于所公开的实施例，而是能够在不偏离由下述权利要求阐述和限定的本发明范围的情况下进行大量重新设置、修改和替换。
Claims (11)
1.一种用于感应声信号的器件，所述器件包括：
柔性部分，所述柔性部分包括激光有源区域，所述激光有源区域的发射波长根据作用在所述柔性部分上的机械力而变化；以及
柔性支承构件，所述支承构件可操作为根据所述声信号而伸缩或弯曲，其中所述柔性部分与所述支承构件耦合以使得所述柔性部分根据所述支承构件而伸缩或弯曲，从而改变所述柔性部分的所述激光有源区域的发射波长。
2.根据权利要求1所述的用于感应声信号的器件，其中所述柔性部分包括包含所述激光有源区域的伸长的柔性光纤，所述伸长的柔性光纤附接到所述支承构件以使得所述伸长的光纤根据所述支承构件而伸缩或弯曲。
3.根据权利要求2所述的用于感应声信号的器件，其中所述伸长的柔性光纤附接到所述支承构件以使得所述伸长的柔性光纤以基本上与所述支承构件共同的曲率半径而伸缩或弯曲。
4.根据权利要求2或3所述的用于感应声信号的器件，其中所述伸长的柔性光纤在包含所述激光有源区域的预定长度上附接到所述支承构件。
5.根据权利要求2或3所述的用于感应声信号的器件，其中所述伸长的柔性光纤在沿所述光纤的至少两个离散点处附接到所述支承构件。
6.根据权利要求2到5中任意一项所述的用于感应声信号的器件，其中所述支承构件是伸长的并且基本上与所述伸长的光纤对准。
7.根据权利要求2到6中任意一项所述的用于感应声信号的器件，其中所述伸长的光纤附接到处在预拉伸状态下的所述支承构件。
8.一种用于感应声信号的器件，所述器件包括：
伸长的柔性光纤，所述柔性光纤包括激光有源区域，所述激光有源区域的发射波长根据作用在所述光纤上的机械力而变化；
柔性支承构件，所述支承构件可操作为伸缩或弯曲，其中所述伸长的柔性光纤附接到所述支承构件以使得所述伸长的光纤与所述支承构件一起相应地伸缩或弯曲，从而改变所述光纤的所述激光有源区域的发射波长；以及
施力装置，其用于施力并且使得所述柔性构件根据所述声信号而弯曲或伸缩。
9.根据权利要求8所述的用于感应声信号的器件，其中所述施力装置包括安装在所述柔性支承构件的相对侧的第一和第二振膜单元，其中在所述第一和第二振膜单元由于来自所述声信号的压力而移位时施力，使得所述柔性构件弯曲或伸缩。
10.根据权利要求9所述的用于感应声信号的器件，其中所述第一和第二振膜单元包括布置在所述第一和第二振膜单元的每一个上的至少一个支点或枢轴点，以使得所述柔性构件在所述第一和第二振膜单元移位时弯曲或伸缩。
11.根据权利要求10所述的用于感应声信号的器件，其中所述第一振膜单元包括第一对内部的间隔开的支点或枢轴点，每个支点或枢轴点定位为在所述激光有源区域的相对侧上对所述柔性构件施力，并且其中所述第二振膜单元包括第二对外部的间隔开的支点或枢轴点，每个支点或枢轴点定位为对环绕所述第一对内部的间隔开的支点或枢轴点的所述柔性构件的相对周边区域施力。
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