CN107345833B - 一种纵振式干涉型振动隔离承压光纤水听器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纵振式干涉型振动隔离承压光纤水听器，所述光纤水听器包括：基体封装柱形外壳(5)，其内部形成基体空腔，在基体空腔内包含纵振式干涉型光纤传感器(1)、振动隔离器(2)和运动补偿器(3)；所述纵振式干涉型光纤传感器(1)设置于基体空腔的顶端，用于接收声信号，并将接收的声压转换为轴向应变；所述振动隔离器(2)为第一柔性阻尼材料(21)，用于为纵振式干涉型光纤传感器(1)隔离基体封装柱形外壳(5)运动带来的振动；所述运动补偿器(3)位于基体空腔的底端，用于补偿基体封装柱形外壳(5)的运动对纵振式干涉型光纤传感器(1)的干扰。该光纤水听器对外部设备的干扰振动进行有效隔离，显著提升探测性能。
Description
技术领域
本发明涉及水听器领域，具体涉及一种纵振式干涉型振动隔离承压光纤水听器。
背景技术
光纤水听器是以超窄线宽激光的干涉光路感知水中由声波引起的微小的压力变化，它是目前已知的最灵敏的水听器。它具有电磁兼容性好、动态范围大、噪声低、在水下环境适装性好以及便于光波和脉冲的大规模复用等优点。其典型的光路结构是一副光纤的迈克尔逊干涉仪。激光在耦合器中被分为两束，经过参考臂和拾振臂后反射回来，重新在耦合器中干涉。当外界声压发生变化时，拾振臂的弹性柱体的外径会发生变化，绕在其上光纤会跟着伸长或变短，拾振臂的光程会跟着变化。这个改变对外界的激励十分敏感，能够对μPa量级的声信号产生明显的响应。
设入射激光为：
其中，为激光波数；ω为激光圆频率；为初相位。由于初相位改变并不影响后面讨论的结果，故忽略这一项。其在耦合器中分为两束：
经过迈克逊干涉仪，两束光产生干涉，则干涉光强变化为：
这里I(t)为激光在的瞬时光强。对于频率相同的两束激光，其干涉结构不随时间变化。从上式可以看出，激光相叠加干涉后，干涉结构随变化。又由于在光纤干涉仪中两光束传播方向一致，故，干涉结构随变化。在上述的干涉结构中，|k|≈4×106rad/m，故只要有微小的变化(如0.1μm)，将会对干涉结果产生明显的变化。
针对光纤水听器的特有工作环境和工作方式，研究发展了典型的芯轴式光纤水听器，但现有技术方案的缺点主要具有以下几个方面：
1、应用受制于光纤器件的尺寸，其单个光纤水听器的孔径约60mm-100mm之间，甚至更大，因此，此种水听器目前只能在空间孔径不受限制的应用条件下，应用于拖曳阵列，进行中低频声信号的探测。
2、随着光纤传感技术的进一步发展，出现了更高性能的激光调制解调制技术，使干涉型光纤水听器接收信号的带宽达到100kHz量级。然而，传统的芯轴式光纤水听器的典型孔径过大，能够有效接收声信号的频率不大于10kHz，并且目前光纤水听器的拾振方式和成阵技术限制了水听器更密集地排列，从而限制了以这种水听器为阵列的声呐以更高的空间采样采集声信号。
3、由于搭载传感器的探测设备往往处于运动状态，这种客观存在的运动往往会带来干扰振动，并借由基体与光纤传感模块的接触向传感器输入干扰。因为传感器较为敏感，而且输入干扰的量级往往比有用的外部声压信号高很多，这种强干扰也成为限制光纤传感器应用的重要因素。
发明内容
本发明的目的在于克服现有水听器存在的上述局限性和缺陷，结合光纤传感技术、声信号处理技术以及运动振动的隔离与补偿技术，提出了一种纵振式干涉型振动隔离承压光纤水听器。
为了实现上述目的，本发明提供了一种纵振式干涉型振动隔离承压光纤水听器，所述光纤水听器包括：基体封装柱形外壳5，其内部形成基体空腔，在基体空腔内包含纵振式干涉型光纤传感器1、振动隔离器2和运动补偿器3；所述纵振式干涉型光纤传感器1设置于基体空腔的顶端，用于接收声信号，并将接收的声压转换为轴向应变；所述振动隔离器2为第一柔性阻尼材料21，用于为纵振式干涉型光纤传感器1隔离基体封装柱形外壳5运动带来的振动；所述运动补偿器3位于基体空腔的底端，用于补偿基体封装柱形外壳5的运动对纵振式干涉型光纤传感器1造成的干扰。
上述技术方案中，所述光纤水听器还包括：承压部件4，设置于基体空腔的下部内壁上，为具有刚度的柱体。
上述技术方案中，所述基体封装柱形外壳5还包括一个中间设置圆孔的圆形隔板，用于将基体空腔分为上部和下部。
上述技术方案中，所述纵振式干涉型光纤传感器1从上至下依次包括拾振面元质量块11、第一弹性柱体12以及惯性质量块13，所述惯性质量块13的质量远大于拾振面元质量块11的质量，所述第一弹性柱体12穿过基体封装柱形外壳5的圆形隔板的圆孔。
上述技术方案中，所述振动隔离器2设置于拾振面元质量块11与基体封装柱形外壳5的圆形隔板之间，穿设于第一弹性柱体12上且相接处设有O型密封圈22。
上述技术方案中，所述运动补偿器3包括运动补偿面元质量块31、第二弹性柱体32和第二柔性阻尼材料33，其中，所述第二弹性柱体32的上端与惯性质量块13相连，所述第二弹性柱体32下端连接运动补偿面元质量块31，在运动补偿面元质量块31与基体封装柱形外壳5的下底面之间填充第二柔性阻尼材料33。
上述技术方案中，所述第一柔性阻尼材料21与第二柔性阻尼材料33的材质相同。
上述技术方案中，所述第一柔性阻尼材料21的刚度k1和阻尼系数b1的由下述过程确定：
所述第一柔性阻尼材料21的运动传递函数T1为：
其中，ω为振动信号的相位角；m为纵振式干涉型光纤传感器1的质量；
式(6)所示的传递函数T1的幅值表示为：
其中，称为第一柔性阻尼材料21的阻尼比，γ＝ω/ωn称为无量纲激励频率，为无阻尼固有角频率；从而通过(7)式确定第一柔性阻尼材料21的刚度k1和阻尼系数b1。
上述技术方案中，拾振面元质量块11的质量和运动补偿面元质量块31的质量相同。
上述技术方案中，所述惯性质量块13的质量m1、拾振面元质量块11的质量m2和运动补偿面元质量块31的质量m3的确定过程如下：
其中T2为第二柔性阻尼材料33的运动传递函数，T2＝T1；k21为第一弹性柱体12的弹性系数，k31为第二弹性柱体32的弹性系数，k21＝k31。
本发明的优势在于：
1、本发明的光纤水听器通过改进拾振方式，排布更为紧密，这有利于在鱼雷头部和舰艇艏部等空间有限的区域密集布置本发明的光纤水听器，同时大大减小了光纤水听器的拾振间隔；采用此种方式布阵可以处理更高频率的声信号，提高了探测性能；
2、本发明的光纤水听器增加了振动隔离与补偿模块，可以对外部设备的干扰振动进行有效隔离，显著提升探测性能；
3、通过本发明的承压模块的设计，使该本发明的光纤水听器能够满足最深水下300米的作业要求，具有良好的多工况复杂环境适应性。
附图说明
图1为本发明的纵振式光纤水听器的结构示意图；
图2为本发明的纵振光纤传感模块中的拾振面元在声场硬边界下接受声波示意图；
图3为本发明的纵振式光纤水听器拾振示意图；
图4为本发明振动隔离模块原理示意图；
图5为本发明的振动隔离模块振动传递率曲线；
图6为本发明的振动补偿模块原理示意图。
附图标记：
1、纵振式干涉型光纤传感器 2、振动隔离器 3、运动补偿器
4、承压部件 5、基体封装柱形外壳 11、拾振面元质量块
12、第一弹性柱体 13、惯性质量块 21、第一柔性阻尼材料
22、O型密封圈 31、运动补偿面元质量块 32、第二弹性柱体
33、第二柔性阻尼材料
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
图1描述了本发明提出的纵振式干涉型振动隔离承压光纤水听器的结构图；所述水听器包括：纵振式干涉型光纤传感器1、振动隔离器2、运动补偿器3、承压部件4和基体封装柱形外壳5。
所述基体封装柱形外壳5，其内部形成基体空腔，所述基体封装柱形外壳(5)还包括一个中间设置圆孔的圆形隔板，用于将基体空腔分为上部和下部。
所述纵振式干涉型光纤传感器1设置于基体空腔的顶端，所述纵振式干涉型光纤传感器1从上之下依次包括拾振面元质量块11、第一弹性柱体12以及惯性质量块13，所述惯性质量块13的质量远大于拾振面元质量块11的质量；所述第一弹性柱体12穿过基体封装柱形外壳5的圆形隔板的圆孔。
所述振动隔离器2设置于拾振面元质量块11与基体封装柱形外壳5的圆形隔板之间，为第一柔性阻尼材料21，穿设于第一弹性柱体12上且相接处设有O型密封圈22。
所述运动补偿器3位于基体空腔的底端，包括运动补偿面元质量块31、第二弹性柱体32和第二柔性阻尼材料33，其中，第二弹性柱体32的上端与纵振式干涉型光纤传感器1的惯性质量块13相连，下端连接运动补偿面元质量块31，在运动补偿面元质量块31与基体封装柱形外壳5的下底面之间填充第二柔性阻尼材料33。
所述承压部件4为具有足够刚度的柱形承压材料，安装于基体空腔的下部内壁上。
所述基体封装柱形壳体5为由具有足够机械强度的材料制作的柱形壳体。
根据本发明另一方面，其中所述水听器开始工作后：
因为所述纵振式干涉型光纤传感器1中的拾振面元质量块11可以提高了水听器的敏感面面积，所以能够在水中声场的硬边界上以较高的效率接受声信号；
所述纵振式干涉型光纤传感器1以纵振的拾振结构将面元接收的声压转化为光纤水听器的轴向应变，并以弹性体上缠绕的光纤迈克逊干涉仪接收这个应变。当纵振发生时，弹性体因纵振的应变发生体积变换，引起其上的光纤迈克逊干涉仪两臂长度发生变化，使经过两臂发生干涉的激光干涉条纹发生变化，从而拾取声信号；
所述振动隔离器2中使用的第一柔性阻尼材料，其参数经优化后，可在设定工作条件下，有效隔离客观存在的基体封装柱形壳体5的运动所带来的振动，保证所述纵振式干涉型光纤传感器1的有效工作；
所述运动补偿器3通过其中的运动补偿面元质量块31和第二弹性柱体32，有效补偿客观存在的基体封装柱形壳体5的运动对纵振式干涉型光纤传感器1干扰运动输入，保证其有效工作；
所述承压部件4在工作中始终发挥承压作用，保证所述水听器在设定工况下的结构安全性。
和传统的光纤水听器相比，纵振式光纤水听器拾振的敏感面在水听器轴向的一端；当若干个所述纵振式干涉型振动隔离承压光纤水听器按照阵列进行排布时，其成阵方式也与传统的光纤水听器阵列不同；阵列排布方式将纵振式光纤水听器的拾振面元在一个平面上紧密排列，形成高空间采样率的高频声呐水听器阵列。
下面介绍本发明的纵振式干涉型光纤式水听器的工作原理：
图2所示为本发明的纵振式光纤传感器中的拾振面元在声场硬边界下接受声波示意图，面元在两种介质的界面处，面元内透射声压为：
在使用条件下，本发明采用金属材料设计敏感面元，其C1ρ1≥20×106N·s/m3，远大于水中的声传播的特性阻抗C0ρ0＝1.49×106N·s/m3。由式(1)可知，透射声压近似为入射声压的2倍。则由面元传递到弹性柱体的力为：
通过式(2)可知，合理的选取s0可使声波引起的作用力更大。通过上述设计，本发明要求的“声场硬边界上的面元接收声信号”可实现在水中更加灵敏地接收信号。
图3所示为本发明的纵振式水听器拾振示意图，在声压作用下，如图所示纵振式光纤水听器的面元将产生位移σs，其半径的变化率：
由于绕在其上的光纤与弹性柱体一起变形，在声压作用下，光纤长度的变化率亦为水听器光纤归一化灵敏度为：
其中，s1为弹性柱体的界面积，E为弹性柱体材料的杨氏模量。通过上述计算表面，本申请要求的“采用纵振的拾振结构将面元在声压下的应变转化为干涉仪程差的变化”可以纵振的方式将声压转化为光纤干涉仪的程差变化，从而实现纵振式干涉型光纤水听器。
图4为隔振器的振动隔振理论，考虑基体上下振动信号x0＝X0exp(iωt)，带动拾振面元质量块11(传感器基体)上下振动x＝Xexp(iωt)。假定第一柔性阻尼材料21的刚度和阻尼系数分别为(k1,b1)，受的弹力与x-x0成正比，阻尼力与x-x0的变化成正比，建立振动方程：
m为纵振式干涉型光纤传感器1的质量；
式(5)可以表示成运动传递函数的形式：
该传递函数有相位角和幅值，而在实际应用中，更为关心振动激励的衰减率，所以式(6)所示的传递函数的幅值可以表示为：
式(7)的表达为一种无量纲的形式，其中，称为柔性阻尼材料的阻尼比，γ＝ω/ωn称为无量纲激励频率，为系统的无阻尼固有角频率。图5给出的是当ξ分别取不同的值时，|T1|随γ变化的曲线，并且可以看到，所有的传递率曲线均以相同的无量纲激励频率经过幅值1.0，这个特别的无量纲激励频率为由而使|T1|<1的区域即为隔振区域。通过隔振材料参数(k1,b1)的优化，本发明要求的“隔离由基体运动而向光纤传感模块输入的干扰振动”得以实现。
同样可以计算第二柔性阻尼材料33(其刚度和阻尼系数分别为(k2,b2))的传递函数T2。
如图6所示为振动补偿模块原理。惯性质量块的质量m1远大于拾振面元质量块11的质量m2和补偿面元质量块31的质量m3：当基体向上运动时，由于惯性质量块13的惯性较大，第一弹性柱体12(弹性系数为k21)会拉伸，而这时第二弹性柱体32(弹性系数为k31)压缩，二者相互抵消；当基体向下运动时，同样由于惯性质量块13的惯性，第一弹性柱体12会压缩，而这时第二弹性柱体32拉伸，二者相互抵消；具体地：
假设基体运动的位移为x0，它通过T1和T2向拾振面元质量块11和运动补偿面元质量块31输入的位移为xIn2和xIn3，根据式(6)可得：
若令拾振面元质量块11接受的外部声压为PA＝F，则分别针对三个质量m1，m2和m3列出振动方程：
其中，x1为惯性质量块的位移，x2为拾振面元质量块11的位移，x3为运动补偿面元质量块31的位移；
将式(8)代入到式(9)得：
将式(10)中位移的二阶导数项按简谐运动展开得：
考虑简化的情况：因为m1远大于m2和m3，所以假设惯性质量块13的位移x1始终为0，则式(11)可简化为：
由式(12)的第1式得：
由式(12)的第3式得：
综合式(13)和(14)可知，位移变化量x2-x3可以表示为拾振面元质量块11接受的外部声压为F和基体运动的位移为x0的函数：
由式(15)可知，要使基体运动的位移为x0对位移变化量x2-x3影响最小，可令其系数为零，也即：
特殊地，如果满足：
则式(16)一定成立，式(17)即为运动补偿器的设计要求。通过此设计，本发明要求的“补偿由基体运动而向光纤传感模块输入的干扰振动”得以实现。
综上所述，虽然本发明已以优选实施例披露如上，然而其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，可作各种变动与修饰。因此，本发明的保护范围当视所附的权利要求所界定的范围为准。
Claims (8)
1.一种纵振式干涉型振动隔离承压光纤水听器，其特征在于，所述光纤水听器包括：基体封装柱形外壳(5)，其内部形成基体空腔，在基体空腔内包含纵振式干涉型光纤传感器(1)、振动隔离器(2)和运动补偿器(3)；所述纵振式干涉型光纤传感器(1)设置于基体空腔的顶端，用于接收声信号，并将接收的声压转换为轴向应变；所述振动隔离器(2)为第一柔性阻尼材料(21)，用于为纵振式干涉型光纤传感器(1)隔离基体封装柱形外壳(5)运动带来的振动；所述运动补偿器(3)位于基体空腔的底端，用于补偿基体封装柱形外壳(5)的运动对纵振式干涉型光纤传感器(1)造成的干扰；
所述纵振式干涉型光纤传感器(1)从上至下依次包括拾振面元质量块(11)、第一弹性柱体(12)以及惯性质量块(13)，所述惯性质量块(13)的质量远大于拾振面元质量块(11)的质量，所述第一弹性柱体(12)穿过基体封装柱形外壳(5)的圆形隔板的圆孔；
所述运动补偿器(3)包括运动补偿面元质量块(31)、第二弹性柱体(32)和第二柔性阻尼材料(33)，其中，所述第二弹性柱体(32)的上端与惯性质量块(13)相连，所述第二弹性柱体(32)下端连接运动补偿面元质量块(31)，在运动补偿面元质量块(31)与基体封装柱形外壳(5)的下底面之间填充第二柔性阻尼材料(33)。
2.根据权利要求1所述的纵振式干涉型振动隔离承压光纤水听器，其特征在于，所述光纤水听器还包括：承压部件(4)，设置于基体空腔的下部内壁上，为具有刚度的柱体。
3.根据权利要求1或2所述的纵振式干涉型振动隔离承压光纤水听器，其特征在于，所述基体封装柱形外壳(5)还包括一个中间设置圆孔的圆形隔板，用于将基体空腔分为上部和下部。
4.根据权利要求1所述的纵振式干涉型振动隔离承压光纤水听器，其特征在于，所述振动隔离器(2)设置于拾振面元质量块(11)与基体封装柱形外壳(5)的圆形隔板之间，穿设于第一弹性柱体(12)上且相接处设有O型密封圈(22)。
5.根据权利要求4所述的纵振式干涉型振动隔离承压光纤水听器，其特征在于，所述第一柔性阻尼材料(21)与第二柔性阻尼材料(33)的材质相同。
6.根据权利要求5所述的纵振式干涉型振动隔离承压光纤水听器，其特征在于，所述第一柔性阻尼材料(21)的刚度k1和阻尼系数b1的由下述过程确定：
所述第一柔性阻尼材料(21)的运动传递函数T1为：
其中，ω为振动信号的相位角；m为纵振式干涉型光纤传感器(1)的质量；
式(6)所示的传递函数T1的幅值表示为：
其中，称为第一柔性阻尼材料(21)的阻尼比，γ＝ω/ωn称为无量纲激励频率，为无阻尼固有角频率；从而通过(7)式确定第一柔性阻尼材料(21)的刚度k1和阻尼系数b1。
7.根据权利要求6所述的纵振式干涉型振动隔离承压光纤水听器，其特征在于，拾振面元质量块(11)的质量和运动补偿面元质量块(31)的质量相同。
8.根据权利要求7所述的纵振式干涉型振动隔离承压光纤水听器，其特征在于，所述惯性质量块(13)的质量m1、拾振面元质量块(11)的质量m2和运动补偿面元质量块(31)的质量m3的确定过程如下：
其中T2为第二柔性阻尼材料(33)的运动传递函数，T2＝T1；k21为第一弹性柱体(12)的弹性系数，k31为第二弹性柱体(32)的弹性系数，k21＝k31。
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