CN107367321A - 一种新型的光纤水听器声敏结构及其实现方法 - Google Patents

Abstract

一种新型的光纤水听器声敏结构，其特征在于：所述声敏结构由光纤线圈及聚合物材料构成，所述光纤线圈为圆柱形盘绕状的光纤，所述光纤线圈被灌封于聚合物材料内部，所述声敏结构为轴对称形状的实心弹性体结构。所述声敏结构为轴对称形状的实心弹性体结构，整个结构全部由光纤和同一种聚合物材料所构成，结构简单，制作方便，成本低；一方面，避免了传统中空的声敏结构耐压性能不佳的问题，另一方面，通过对光纤线圈的盘绕结构进行创新性地改良并结合整体实心弹性体结构，同时采用比硬质弹性材料杨氏模量更小的聚氨酯灌封材料使得声压灵敏度大幅度提升，解决了干涉型水听器声敏结构声压灵敏度和耐压能力之间的矛盾，适合于深海应用。

Description

一种新型的光纤水听器声敏结构及其实现方法

技术领域

本发明属于水声探测领域，本发明涉及光纤水听器技术，尤其涉及干涉型光纤水听器声敏结构。

背景技术

干涉型光纤水听器是一种建立在光纤、光电子技术基础上的水声传感器。它利用声敏结构将声压转换成光纤的微小形变。光纤的形变导致光纤中光相位信号的变化。通过高灵敏度的光学相干检测方法，就可以测量出光相位的变化，从而还原出微弱的声压信号。它具有灵敏度高、动态范围大、可靠性高、可构成大规模阵列等技术优点，在海洋监测领域有着广阔的应用前景。

为了满足高灵敏度水声探测的需求，干涉型光纤水听器的声压灵敏度通常要求达到-140dB rad/μPa以上。石英光纤的声压灵敏度非常低，每米光纤的声压灵敏度小于-200dB rad/μPa，无法满足水声探测的需求。为了满足光纤水听器的声压灵敏度要求，人们通常是将几十米的光纤密集缠绕在一个长度为几十毫米的弹性体上。通过弹性体材料在声压下的形变带动光纤发生相应的形变，起到声压增敏的效果。

在目前常见的干涉型光纤水听器声敏结构中，弹性体通常采用硬质弹性材料加工而成，例如聚砜、硬铝等。为了增加弹性体在声压作用下的形变量，弹性体通常采用中空结构，如附图1所示。通过合理配置弹性体的材料的弹性模量、直径、壁厚以及缠绕在上面的光纤长度，可以设计出符合声压灵敏度指标的声敏结构。但这种采用空气背衬结构的弹性体虽然声压灵敏度高，然而其需要严格保持密封，制造工艺复杂，并且在高水压情况下(1000m以深海底应用)存在破裂的可能性。如果为了保证其耐压性能而采用实心弹性体结构，声压灵敏度又会大幅度降低。为了实现高水压情况下的高灵敏度水声探测，需要开发新型光纤水听器声敏结构。

发明内容

本发明所要解决的问题是克服现有技术存在的问题，提供一种新型的光纤水听器声敏结构及其实现方法来解决干涉型水听器声敏结构声压灵敏度和耐压能力之间的矛盾，同时进一步简化结构和制造工艺。

为解决上述技术问题，本发明的技术解决方案是这样实现的：

一种新型的光纤水听器声敏结构，其特征在于：所述声敏结构由光纤线圈1及聚合物材料2构成，所述光纤线圈1为圆柱形盘绕状的光纤，所述光纤线圈1被灌封于聚合物材料2内部，所述声敏结构为轴对称形状的实心弹性体结构。

进一步的，所述轴对称形状的实心弹性体为圆柱体、长方体、圆锥体中的一种。

进一步的，所述光纤线圈1是80μm、125μm、250μm三种包层外径中的一种光纤所绕制成。

进一步的，所述的聚合物材料2为聚氨酯、环氧树脂中的一种弹性材料。

一种新型的光纤水听器声敏结构的实现方法，其特征在于：

步骤一：将聚合物材料通过灌封、固化形成轴对称形状的实心弹性体结构；

步骤二：均匀地将光纤绕制于该弹性体结构上形成光纤线圈；

步骤三：采用步骤二中所用的同一种聚合物材料将光纤线圈进行灌封、固化，形成具有轴对称形状的实心弹性体声敏结构。

本发明可带来以下有益效果：

本发明所提出的新型光纤水听器声敏结构与和传统中空声敏结构相比，具有以下优点：

整个结构全部由光纤和同一种聚合物材料所构成，结构简单，制作方便，成本低；一方面，避免了传统中空的声敏结构耐压性能不佳的问题，另一方面，通过对光纤线圈的盘绕结构进行创新性地改良并结合整体实心弹性体结构，同时采用比硬质弹性材料杨氏模量更小的聚氨酯灌封材料使得声压灵敏度大幅度提升，解决了干涉型水听器声敏结构声压灵敏度和耐压能力之间的矛盾，适合于深海应用。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。

附图说明

图1传统的干涉型光纤水听器声敏结构图

图2本发明所述的一种新型的干涉型光纤水听器声敏结构图

图3新型光纤水听器声敏结构的声压灵敏度曲线

具体实施方式

作为本发明的一个实施例，所述的光纤线圈(1)由80μm包层外径的小模场光纤绕制而成；聚合物材料(2)为聚氨酯材料，所述声敏结构包括圆柱形盘绕的光纤线圈1及聚合物材料2，所述光纤线圈1结构为圆柱形盘绕状，所述光纤线圈1固定在聚合物材料2内部，所述声敏结构为轴对称形状的实心弹性体结构。

制作时先采用聚氨酯材料(2)灌封固化形成一个直径为Ф20mm，长度为60mm的弹性圆柱体；采用恒张力方法均将25m的小模场光纤匀绕制于该弹性圆柱体上形成光纤线圈(1)；然后采用声场驻波法测得该光纤线圈(1)的声压灵敏度为-146dB rad/μPa；接着采用同样的聚氨酯材料(2)将光纤线圈(1)灌封、固化，灌封后形成的圆柱形弹性结构体的直径为Ф28.5mm，长度为66mm；采用声场驻波法测得该声敏结构的声压灵敏度为-126dB rad/μPa，比未灌封前提高了20dB(如附图3所示)。声压灵敏度的提高主要是由于声敏结构的声敏面经过整体灌封后大幅增加所造成的；对该结构进行耐压测试：在经过40MPa，12小时的保压后测试，该结构的光学性能和声敏性能保持不变。

本发明的新型的光纤水听器声敏结构的工作原理如下：当外部声压作用在实心弹性体结构上时，聚合物材料2会发生微小的线性形变。与此同时，埋在聚合物材料2内部的光纤线圈1也发生相应的微小线性形变。光纤线圈1长度的变化引起在光纤中传输的信号光光相位发生相应的变化。上述过程使得光纤中信号光的光相位变化对外部声压敏感，并且形成线性的对应关系。

声敏结构的声压灵敏度计算公式如下：

其中，n为光纤纤芯的折射率，L为光纤线圈的长度，Δε为弹性体结构在声压作用下产生的横向应变量，ΔP为声压的变化量(单位为μPa)，λ为激光波长。从公式中可以看出，声敏结构的声压灵敏度随着纤芯折射率n、光纤线圈长度L以及弹性体结构的横向应变量Δε的增加而增加。而弹性体结构在恒定压力下的横向应变量Δε与聚合物材料的种类，弹性体结构的形状、尺寸等因素均相关。可通过优化设计光纤的种类，光纤线圈的直径、圈数、聚合物材料的种类，弹性体结构的形状、尺寸等参数灵活地配置声敏结构的声压灵敏度。

测试结果表明本发明所提出的水听器声敏结构在提高单元声压灵敏度的基础上，可以有效提高单元耐压水平，为深海用干涉型光纤水听器单元结构提供了新的技术路线。

以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims (5)

1.一种新型的光纤水听器声敏结构，其特征在于：所述声敏结构由光纤线圈(1)及聚合物材料(2)构成，所述光纤线圈(1)为圆柱形盘绕状的光纤，所述光纤线圈(1)被灌封于聚合物材料(2)内部，所述声敏结构为轴对称形状的实心弹性体结构。

2.根据权利要求1所述的一种新型的光纤水听器声敏结构，其特征在于：所述轴对称形状的实心弹性体为圆柱体、长方体、圆锥体中的一种。

3.根据权利要求1或2所述的一种新型的光纤水听器声敏结构，其特征在于：所述光纤线圈(1)是80μm、125μm、250μm三种包层外径中的一种光纤所绕制成。

4.根据权利要求1或2所述的一种新型的光纤水听器声敏结构，其特征在于：所述的聚合物材料(2)为聚氨酯、环氧树脂中的一种弹性材料。

5.一种新型的光纤水听器声敏结构的实现方法，其特征在于：

步骤一：将聚合物材料通过灌封、固化形成轴对称形状的实心弹性体结构；

步骤二：均匀地将光纤绕制于该弹性体结构上形成光纤线圈；

步骤三：采用步骤二中所用的同一种聚合物材料将光纤线圈进行灌封、固化，形成具有轴对称形状的实心弹性体声敏结构。