CN110006519A - 一体化增敏结构的空气背衬光纤水听器探头 - Google Patents

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刘瑞
陈志明
金梦群
汪樟海
高晓文
谢勇
葛辉良
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Abstract

本发明公开了一种一体化增敏结构的空气背衬光纤水听器探头。所述光纤水听器探头由光纤线圈粘接在增敏结构表面而成，声压作用下增敏结构应变带动光纤长度变化。所述增敏结构采用增材制造技术一体化加工，将内部的密闭空腔作为空气背衬以提高水听器灵敏度。所述光纤线圈由光纤绕制成所需形状。所述光纤水听器探头保留了空气背衬光纤水听器探头工艺成熟、性能易于提高的优点。采用增材制造技术加工一体化增敏结构，避免了组装结构所需密封材料失效问题，有效提高了空气背衬水听器探头的环境性能与长期可靠性。

Description

一体化增敏结构的空气背衬光纤水听器探头
技术领域
本发明涉及光纤水听器探头，主要是一种一体化增敏结构的空气背衬光纤水听器探头。
背景技术
光纤水听器是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，近年来在军民领域得到了快速发展。空气背衬光纤水听器因其工艺简单，性能优良而得到广泛应用。
现有的空气背衬光纤水听器由支撑结构、弹性体、光纤线圈组成。支撑结构与弹性体之间密封形成密闭空腔，光纤绕制于弹性体上。将所述水听器置于水声场中时，弹性体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。
除灵敏度外，光纤水听器的应用还受到耐静水压、温度性能、长期可靠性等要求限制。现有空气背衬光纤水听器增敏结构由多个结构件组装而成，工艺复杂，且密封材料在恶劣环境或长期使用后容易失效。所以，需寻找一种新的工艺简单且环境性能好、可靠性高的空气背衬光纤水听器结构。
发明内容
针对已有空气背衬光纤水听器探头增敏结构组装所需密封材料容易失效问题，本发明的目的在于提供一种一体化增敏结构的空气背衬光纤水听器探头，通过增材制造技术加工一体化增敏结构，避免组装过程及密封材料失效问题，有效提高空气背衬水听器探头的环境性能与长期可靠性。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种一体化增敏结构的空气背衬光纤水听器探头，主要包括光纤线圈和增敏结构，增敏结构内部设置有密闭空腔作为空气背衬，光纤线圈粘接在增敏结构表面，声压作用下增敏结构应变带动光纤长度变化。
所述光纤线圈由光纤绕制成所需形状，通过粘接内部所有光纤相邻表面而成一体并在光纤之间形成光纤间隙。
所述的增敏结构为圆柱形结构，在增敏结构内部设置有圆柱形的密闭空腔，增敏结构的外圆周面上粘接有光纤线圈。
本发明的有益效果为：
(1)所述光纤水听器探头保留了空气背衬光纤水听器探头工艺成熟、性能易于提高的优点。
(2)采用增材制造技术加工一体化增敏结构，避免了组装结构所需密封材料失效问题，显著提高了空气背衬水听器探头的环境性能与长期可靠性。
附图说明
图1是一体化空气背衬光纤水听器探头截面图。
附图标记说明：光纤线圈10，光纤11，增敏结构12，密闭空腔13，轴线14。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍：
本发明公开了一种一体化增敏结构的空气背衬光纤水听器探头，主要包括光纤线圈10和增敏结构12，增敏结构12内部设置有密闭空腔13作为空气背衬以提高水听器灵敏度；光纤线圈10粘接在增敏结构12表面，声压作用下增敏结构应变带动光纤长度变化。具体的：所述增敏结构12采用增材制造技术一体化加工，非多个结构件组装，所述的增敏结构12为圆柱形结构，在增敏结构12内部设置有圆柱形的密闭空腔13(轴线14形成的回转体)，增敏结构12的外圆周面上粘接有光纤线圈10。增敏结构12的结构形式、尺寸、材料参数需根据灵敏度、环境性能、长期可靠性要求通过仿真计算与实验综合设计，可选用聚碳酸酯、铝合金或其他材料。所述光纤线圈10由光纤11绕制成所需形状，通过粘接内部所有光纤11相邻表面而成一体并在光纤11之间形成光纤间隙。根据应用所需光纤11可以是保偏或普通单模光纤。光纤线圈10与增敏结构12的轴线14重合，光纤线圈10与增敏结构12可加工成柱形，也可加工成其他形状。
本发明提出的光纤水听器探头增敏结构采用增材制造技术一体化加工，将内部的密闭空腔作为空气背衬以提高水听器灵敏度。所述光纤水听器探头保留了空气背衬光纤水听器探头工艺成熟、性能易于提高的优点；采用增材制造技术加工一体化增敏结构，避免了组装结构所需密封材料失效问题，显著提高了空气背衬水听器探头的环境性能与长期可靠性；且避免了组装过程中人为因素导致的工艺非理想性，在碟型、平板型、加肋型等特殊增敏结构形式水听器的制作中尤其具有优势。铝合金材料0.5mm壁厚的一体化增敏结构的空气背衬光纤水听器探头在10MPa水压下结构应力仿真结果为最大应力120MPa，小于铝合金屈服强度450MPa，满足水压要求。
本发明提出的一体化增敏结构的空气背衬光纤水听器探头的增敏结构采用增材制造技术一体化成型，不存在多个结构件之间密封材料失效问题，且避免了组装过程中人为因素导致的工艺非理想性，在碟型、平板型、加肋型等特殊增敏结构形式水听器的制作中尤其具有优势；有效提高了空气背衬水听器探头的耐静水压、温度变化等环境性能与长期可靠性。
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 (3)

1.一种一体化增敏结构的空气背衬光纤水听器探头，其特征在于：主要包括光纤线圈(10)和增敏结构(12)，增敏结构(12)内部设置有密闭空腔(13)作为空气背衬，光纤线圈(10)粘接在增敏结构(12)表面，声压作用下增敏结构应变带动光纤长度变化。
2.根据权利要求1所述的一体化增敏结构的空气背衬光纤水听器探头，其特征在于：所述光纤线圈(10)由光纤(11)绕制成所需形状，通过粘接内部所有光纤(11)相邻表面而成一体并在光纤(11)之间形成光纤间隙。
3.根据权利要求1所述的一体化增敏结构的空气背衬光纤水听器探头，其特征在于：所述的增敏结构(12)为圆柱形结构，在增敏结构(12)内部设置有圆柱形的密闭空腔(13)，增敏结构(12)的外圆周面上粘接有光纤线圈(10)。
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