CN110006518A - 振动抵消碟型光纤平面水听器 - Google Patents

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刘瑞
葛辉良
陈志明
金梦群
汪樟海
高晓文
谢勇
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    • G—PHYSICS
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Abstract

本发明公开了一种振动抵消碟型光纤平面水听器。所述光纤平面水听器由支撑刚体、弹性体、正面光纤线圈与反面光纤线圈组成。所述弹性体正反两面为结构相同的对称平面，侧面通过旋转轴对称方式固定在支撑刚体上。所述正面光纤线圈与反面光纤线圈参数相同，均绕制为碟形，分别同轴粘接于弹性体的正反两面，两面光纤线圈之间尾纤串联。所述光纤平面水听器保留了单面碟型光纤平面水听器声接收效率高、流噪声低的优点；正反对称碟型串联的结构在振动环境下有加速度抵消效果，有效提高了光纤平面水听器在水下航行体表面应用时的振动性能。

Description

振动抵消碟型光纤平面水听器
技术领域
本发明涉及光纤平面水听器，主要是一种振动抵消碟型光纤平面水听器。
背景技术
光纤平面水听器是安装在水下航行体表面将水中声压信号转化为可探测光信号调制的一种光纤传感器，因其具有灵敏度高、不易受电磁环境干扰、易于复用等优点，近年来受到军民领域的广泛重视。
将水听器置于水声场中时，接收声信号导致弹性体形变带动光纤线圈的形变，并导致光纤纤芯的长度与折射率变化(弹光效应)，从而导致光纤中传输光的相位变化，通过光干涉将该相位变化检测出来即可提取作用其上声压信号。
声场引起光纤形变后，根据弹光效应，单模光纤径向折射率改变与各向异性应变的关系式为式(1)：
式(1)中Δn为单模光纤径向折射率改变，n为光纤折射率，P11与P12为光纤纤芯的弹光系数，εz为光纤纤芯轴向应变，εr为光纤纤芯径向应变。
光相位改变与折射率、长度改变的关系式推导为式(2)：
式(2)中ΔΦ为光相位改变，β0为真空中光传播常数，L为光纤总长，ΔL为光纤长度改变。
将式(1)代入式(2)可得光相位改变与纤芯应变的关系式为式(3)：
由式(3)可知，仿真计算光纤水听器在受到声场作用时光纤轴向、径向应变，代入光纤长度等参数，即可计算水听器灵敏度。
现有的光纤平面水听器方案主要有轴型与单面碟型两种。
轴型光纤平面水听器主要由弹性轴、光纤线圈与基板组成，光纤线圈绕制于弹性轴表面，弹性轴的轴线与基板表面平行，与声传播方向垂直。工作时，声接收柱面与主要声传播方向不垂直，导致声接收效率低，到达声信号部分损失；组装后声接收表面上各结构不平齐导致流噪声大，影响其在航行体表面的工作噪声性能。
单面碟型光纤平面水听器主要由碟形光纤线圈、弹性体、基板组成，碟形光纤线圈粘接在碟形弹性体正对声场的表面，声接收效率高，但单面碟形光纤平面水听器振动灵敏度高。
所以，需寻找一种新的声接收效率高、流噪声低且振动灵敏度低的光纤平面水听器结构。
发明内容
针对已有轴型光纤平面水听器声接收表面与主要声传播方向不垂直导致声接收效率低、声接收表面上结构不平齐导致流噪声大，单面碟型光纤平面水听器振动性能差的问题，本发明的目的在于提供一种振动抵消碟型光纤平面水听器，以保留单面碟型光纤平面水听器声接收效率高、流噪声低优势的同时提高其振动性能。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种振动抵消碟型光纤平面水听器，主要包括支撑刚体、弹性体、正面光纤线圈与反面光纤线圈，弹性体包括弹性体正面、弹性体侧面和弹性体反面，弹性体正面和弹性体反面为结构相同的对称平面，弹性体侧面通过旋转轴对称方式固定在支撑刚体上；所述的正面光纤线圈与反面光纤线圈参数相同，均绕制为碟形，分别同轴粘接于弹性体正面和弹性体反面，正面光纤线圈与反面光纤线圈之间尾纤串联。
所述的弹性体内部设置有密闭空腔作为空气背衬。
本发明的有益效果为：
(1)所述光纤平面水听器保留了单面碟型光纤平面水听器声接收效率高、流噪声低的优势。
(2)正反对称碟型串联的结构在振动环境下有加速度抵消效果，有效提高了光纤平面水听器在水下航行体表面应用时的振动性能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
附图标记说明：10、正面光纤线圈，11、弹性体，12、弹性体正面，13、弹性体侧面，14、弹性体反面，15、轴线，16、反面光纤线圈，17、支撑刚体。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍：
如图1所示，一种振动抵消碟型光纤平面水听器，主要包括支撑刚体17、弹性体11、正面光纤线圈10与反面光纤线圈16，弹性体11包括弹性体正面12、弹性体侧面13和弹性体反面14，弹性体正面12和弹性体反面14为结构相同的对称平面，弹性体侧面13通过旋转轴对称方式固定在支撑刚体17上(弹性体11与支撑刚体17之间通过图1所示外沿固定)；所述的正面光纤线圈10与反面光纤线圈16参数相同，均绕制为碟形，分别同轴粘接于弹性体正面12和弹性体反面14，与弹性体11的轴线15重合，正面光纤线圈10与反面光纤线圈16之间尾纤串联，轴向振动时碟型水听器上下表面光纤轴向应变相反，串联后起到加速度抵消效果。
根据应用所需，正面光纤线圈10与反面光纤线圈16可以由保偏或普通单模光纤绕制，结合声性能设计所需光纤长度与层数。弹性体11的结构形式、尺寸、材料参数需综合考虑光纤平面水听器的声学性能与环境性能，通过仿真计算与实验验证综合确定。弹性体11可选用聚碳酸酯、聚氨酯等弹性材料。弹性体11可设计为空气背衬结构，表面接收声压时通过弯曲引起光纤形变；也可设计为实心弹性结构，表面接收声压时通过体积变化引起光纤形变。支撑刚体17可选用铝合金、钛合金、不锈钢等刚性材料。
现有的轴型光纤平面水听器通过光纤绕制在弹性轴表面而成，安装时弹性轴的轴线与主要声传播方向垂直，工作时声场引起弹性轴形变，弹性轴带动绕制其上的光纤长度变化，进而改变传输光相位。该平面水听器的优点是安装水听器的外壳振动时，主要振动方向与弹性轴轴线垂直，该方向上光纤线圈应变抵消，振动灵敏度低；缺点是工作时弹性柱面无法全部与主要声传播方向垂直，导致接收到的声信号只是到达声信号的一小部分，声接收效率低，严重影响其灵敏度的提高。本发明提出的振动抵消碟型光纤平面水听器将正对声场的正面光纤线圈作为声接收面，可实现到达水听器表面的声信号无损接收，声接收效率高，有效降低了声接收效率对水听器灵敏度的影响。
此外，现有的轴型光纤平面水听器声接收表面上结构不平齐，安装在水下航行体表面工作时，水流冲击将导致水听器的流噪声过大，严重影响对环境声场的探测。本发明提出的振动抵消碟型光纤平面水听器组装后接收声表面上所有结构平齐，降低了水流冲击时水听器的流噪声，有效提高了光纤平面水听器在水下航行体表面应用时的系统性能。
为解决上述轴型光纤平面水听器的声接收效率与流噪声问题，已有单面碟型光纤平面水听器方案，将光纤绕制为扁平状的碟形光纤线圈，再将其粘接在扁平状的弹性体正对声场表面。通过扁平结构实现碟形平面与主要声传播方向垂直、安装后所有结构表面平齐以降低流噪声。但安装水听器的外壳振动时，主要振动方向与弹性体轴线平行，该方向上光纤线圈应变无法抵消，振动信号与声信号无法分离，严重影响声探测性能。本发明提出的平面水听器在弹性体的正反两面对称粘接光纤线圈，弹性体轴向振动时两面线圈应变相反，串联后起到加速度抵消效果。
所以，本发明提出的振动抵消碟型光纤平面水听器在保留单面碟型光纤平面水听器声接收效率高、流噪声低优势的同时，有效提高了其在水下航行体表面应用时的振动性能。
可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (2)

1.一种振动抵消碟型光纤平面水听器，其特征在于：主要包括支撑刚体(17)、弹性体(11)、正面光纤线圈(10)与反面光纤线圈(16)，弹性体(11)包括弹性体正面(12)、弹性体侧面(13)和弹性体反面(14)，弹性体正面(12)和弹性体反面(14)为结构相同的对称平面，弹性体侧面(13)通过旋转轴对称方式固定在支撑刚体(17)上；所述的正面光纤线圈(10)与反面光纤线圈(16)参数相同，均绕制为碟形，分别同轴粘接于弹性体正面(12)和弹性体反面(14)，正面光纤线圈(10)与反面光纤线圈(16)之间尾纤串联。
2.根据权利要求1所述的振动抵消碟型光纤平面水听器，其特征在于：所述的弹性体(11)内部设置有密闭空腔作为空气背衬。
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