CN107085627A - 一种光纤水听器声压灵敏度的仿真计算方法 - Google Patents

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陈开�
王俊
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Abstract

本发明公开了一种光纤水听器声压灵敏度的仿真计算方法，特征在于，该计算方法为基于有限元分析的声压灵敏度仿真预测方法。基于有限元分析软件，建立光纤水听器核心敏感部件(即线圈)的有限元模型。在模型与水接触表面施加单位静水压力，通过仿真计算得到表面的每一圈敏感光纤的径向位移。由所有径向位移的总和及线圈尺寸推算线圈表面敏感光纤的总长度变化量。以此为基础，根据自主推导的转化公式，得到声压灵敏度的仿真值。本发明可以快速计算不同尺寸的光纤水听器核心敏感部件(即线圈)的声压灵敏度，缩短光纤水听器设计时间，提高设计效率。

Description

一种光纤水听器声压灵敏度的仿真计算方法
技术领域
本发明属于光纤传感领域，涉及一种仿真计算方法，尤其涉及一种光纤水听器声压灵敏度的仿真计算方法。
背景技术
光纤传感技术是伴随光导纤维和光纤通信技术发展而形成的一门新技术，其广泛应用于航天航海、核工业、桥梁隧道、建筑、石油开采、电力传输、医疗、科研等领域。光纤水听器的研究已经取得了巨大的进步，现正向工程化、装备化迈进。由于光纤水听器的使用环境复杂多变，不同的使用环境对光纤水听器的声压灵敏度有着不同的要求，需要通过调整光纤水听器敏感部件(即线圈)的尺寸以达到调整光纤水听器声压灵敏度的目标，以适应多种多样的使用要求。
现有技术中的调整方法主要基于设计人员的个人经验，并通过不断打样确定光纤水听器线圈的尺寸，费时、费力又开销巨大。
因此急需一种快速、准确的方法对不同尺寸的线圈进行计算，在设计之初明确所设计的光纤水听器线圈的声压灵敏度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种光纤水听器声压灵敏度的仿真计算方法。
本发明为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种光纤水听器声压灵敏度的仿真计算方法，包括如下步骤：
S1：选择敏感光纤2，将敏感光纤2缠绕于线圈基底3上组成光纤水听器的线圈1上，通过给定的敏感光纤2的长度和线圈基底3的尺寸分别计算敏感光纤每层的缠绕圈数n和缠绕层数St；
S2：利用有限元仿真分析软件，建立以线圈基底3的轴对称面为基础几何模型且包含缠绕圈数为n、缠绕层数为St的缠绕于线圈基底3上的每一圈敏感光纤2模型的整体有限元仿真模型；
S3：在线圈1与水接触的表面施加单位静压力ΔP，通过有限元仿真分析软件计算得到表面的每一圈敏感光纤2模型圆心的径向位移；
S4：将步骤S3所得的径向位移相加，计算敏感光纤2的总长度变化量ΔL；
S5：根据敏感光纤2的总长度变化量ΔL和施加于线圈1上的单位静压力ΔP，计算声压灵敏度的仿真值Sp(dB)。
根据权利要求1所述的一种光纤水听器声压灵敏度的仿真计算方法，其特征在于，所述步骤S1中按式(1)计算得到敏感光纤2每层的缠绕圈数n，按式(2)计算得到敏感光纤2的缠绕层数St；
n＝H/d (1)
St＝L/(n×π×D) (2)
式(1)和式(2)中，H为线圈上用于缠绕敏感光纤的长度，d为敏感光纤的直径，L为敏感光纤的总长度，D为线圈基底的直径，n和St计算结果精度为取值至整数位。
根据权利要求1所述的一种光纤水听器声压灵敏度的仿真计算方法，其特征在于，所述步骤S4中按式(3)计算得到敏感光纤2的总长度变化量ΔL；
ΔL＝2×π×∑ΔXn (3)
式(3)中，ΔXn为每一圈敏感光纤模型圆心的径向位移。
根据权利要求1所述的一种光纤水听器声压灵敏度的仿真计算方法，其特征在于，所述步骤S5中按式(4)计算得到声压灵敏度的仿真值Sp(dB)。
本发明对比现有技术有如下的有益效果：
本发明可以快速计算不同尺寸的光纤水听器核心敏感部件(即线圈)的声压灵敏度，缩短光纤水听器设计时间，提高设计效率。
附图说明
图1为光纤水听器线圈的结构示意图；
图2为光纤水听器线圈的结构尺寸示意图；
图3为光纤水听器线圈的有限元仿真模型图。
图中：
1：线圈 2：敏感光纤 3：线圈基底
4：纤芯网格模型(二氧化硅) 5：包覆层网格模型(丙烯酸酯)
6：胶层网格模型(环氧树脂) 7：线圈基底网格模型(聚碳酸酯)
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的描述。
图1为光纤水听器核心敏感部件(即线圈)的结构示意图，其结构尺寸如图2所示；
由于线圈的对称性，在保证仿真精度的前提下采用现有有限元前处理软件对线圈的轴对称面进行网格处理，形成可用于有限元计算的有限元网格模型，如图3所示。值得一提的是，网格中每一圈光纤都有对应的有限元网格。
采用商用有限元软件对上述模型进行自动处理和计算，在仿真计算结果中提取每一圈光纤对应的网格的X向(即径向)位移，根据公式3可计算得到每一圈光纤的伸长量。再根据公式4可以计算得到本款线圈的声压灵敏度。
以某一型号的线圈灵敏度仿真为例：
给定线圈上用于缠绕敏感光纤的长度为165mm，敏感光纤的直径为0.165mm，敏感光纤的总长度为62.8m，线圈基底的直径为20mm，壁厚为5mm。
计算光纤的层数St＝1和每层光纤缠绕的圈数n＝1000。
进入有限元软件MSC.Patran。取线圈的轴对称面作为建立模型的基础几何模型，必须以基础坐标系的Z轴为对称轴、以X轴为半径方向。
由于Patran中轴对称模型只能采用三角形网格进行计算，所以建立网格模型分为以下几个步骤：
1、分布纤芯(4)和包覆层(5)的网格种子，用以控制网格的尺寸。每个圆周布放12个网格种子。
2、采用软件自带自由网格划分功能划分一圈纤芯(4)和包覆层(5)的网格。
3、手动划分一圈光纤胶层(6)的网格，水平和竖直边线上的节点距离均为包覆层(5)外径的四分之一(此处采用0.165mm的光纤，故边线尺寸为0.04125mm)。
4、按照光纤层数St和圈数n，采用阵列复制的方法将纤芯(4)、包覆层(5)和胶层(6)的网格进行水平和竖直方向的复制。
5、一般情况下，紧密缠绕的纤芯(4)、包覆层(5)和胶层(6)的网格复制模型与线圈在尺寸上会存在一点间隙，通过扫略方式拉伸获得网格，补充到胶层网格中。
6、采用软件自带自由网格划分功能划分线圈部分的网格，要求在其与胶层相接触的位置，两部分的网格共节点。
根据以上步骤建立有限元网格模型在以后，在受压位置施加1MPa水压进行仿真计算。采用MSC有限元软件中的仿真结果提取功能，提取表面的每一圈敏感光纤模型的圆心的径向位移的总和，根据公式(3)计算敏感光纤的总长度变化量ΔL＝30.44mm；
根据敏感光纤的总长度变化量ΔL和施加于线圈上的单位静压力ΔP＝1MPa，根据公式(4)计算声压灵敏度的仿真值Sp(dB)＝-130.7(dB)。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本发明的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (4)

1.一种光纤水听器声压灵敏度的仿真计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：选择敏感光纤(2)，将敏感光纤(2)缠绕于线圈基底(3)上组成光纤水听器的线圈(1)上，通过给定的敏感光纤(2)的长度和线圈基底(3)的尺寸分别计算敏感光纤每层的缠绕圈数n和缠绕层数St；
S2：利用有限元仿真分析软件，建立以线圈基底(3)的轴对称面为基础几何模型且包含缠绕圈数为n、缠绕层数为St的缠绕于线圈基底(3)上的每一圈敏感光纤(2)模型的整体有限元仿真模型；
S3：在线圈(1)与水接触的表面施加单位静压力ΔP，通过有限元仿真分析软件计算得到表面的每一圈敏感光纤(2)模型圆心的径向位移；
S4：将步骤S3所得的径向位移相加，计算敏感光纤(2)的总长度变化量ΔL；
S5：根据敏感光纤(2)的总长度变化量ΔL和施加于线圈(1)上的单位静压力ΔP，计算声压灵敏度的仿真值Sp(dB)。
2.根据权利要求1所述的一种光纤水听器声压灵敏度的仿真计算方法，其特征在于，所述步骤S1中按式(1)计算得到敏感光纤(2)每层的缠绕圈数n，按式(2)计算得到敏感光纤(2)的缠绕层数St；
n＝H/d (1)
St＝L/(n×π×D) (2)
式(1)和式(2)中，H为线圈上用于缠绕敏感光纤的长度，d为敏感光纤的直径，L为敏感光纤的总长度，D为线圈基底的直径，n和St计算结果精度为取值至整数位。
3.根据权利要求1所述的一种光纤水听器声压灵敏度的仿真计算方法，其特征在于，所述步骤S4中按式(3)计算得到敏感光纤(2)的总长度变化量ΔL；
ΔL＝2×π×∑ΔXn (3)
式(3)中，ΔXn为每一圈敏感光纤模型圆心的径向位移。
4.根据权利要求1所述的一种光纤水听器声压灵敏度的仿真计算方法，其特征在于，所述步骤S5中按式(4)计算得到声压灵敏度的仿真值Sp(dB)。
。
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