CN110146153A - 端面接收轴型光纤平面水听器 - 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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Abstract

本发明公开了一种端面接收轴型光纤平面水听器，包括接收平板、弹性轴、光纤线圈与基板，接收平板固定在弹性轴前端面且与其轴线垂直以接收声信号，光纤线圈绕制在弹性轴表面，弹性轴后端面固定在基板的盲孔内；基板前表面与接收平板前表面平齐且两者之间通过柔性密封材料密封，基板与弹性轴之间形成密闭空腔以避免弹性轴的柱面受到声场影响。本发明的有益效果为：光纤平面水听器的声接收平板与主要声传播方向垂直，声接收效率高。光纤平面水听器光纤线圈直接绕制在弹性轴上，灵敏度易于提高，工艺成熟。光纤平面水听器组装后接收声表面上所有结构平齐，降低了平面水听器流噪声，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。

Description

端面接收轴型光纤平面水听器
技术领域
本发明涉及光纤平面水听器，主要是一种端面接收轴型光纤平面水听器。
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柱面接收轴型与平面接收碟型两种。
柱面接收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。
平面接收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上，碟形平面与声传播方向垂直，声接收效率高，但碟形光纤线圈工艺复杂、灵敏度不易提高。
所以，需寻找一种新的工艺成熟、声接收效率高、易于提高灵敏度且流噪声小的光纤平面水听器结构。
发明内容
针对已有柱面接收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，碟型光纤平面水听器工艺复杂、灵敏度不易提高的问题，本发明的目的在于提供一种端面接收轴型光纤平面水听器，以通过成熟工艺有效提高光纤平面水听器灵敏度、降低流噪声。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种端面接收轴型光纤平面水听器，主要包括接收平板、弹性轴、光纤线圈与基板，所述接收平板固定在弹性轴前端面且与其轴线垂直以接收声信号，所述光纤线圈绕制在弹性轴表面，所述弹性轴后端面固定在基板的盲孔内；所述基板前表面与接收平板前表面平齐且两者之间通过柔性密封材料密封，基板与弹性轴之间形成密闭空腔以避免弹性轴的柱面受到声场影响。
所述的弹性轴为中空的管形，端面接收声压时通过弯曲引起光纤形变；弹性轴表面设置有凹槽，在凹槽内绕制有轴型的光纤线圈。
本发明的有益效果为：
(1)所述光纤平面水听器的声接收平板与主要声传播方向垂直，声接收效率高。
(2)所述光纤平面水听器光纤线圈直接绕制在弹性轴上，灵敏度易于提高，工艺成熟。
(3)所述光纤平面水听器组装后接收声表面上所有结构平齐，降低了平面水听器流噪声，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。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图中：10、接收平板，11、弹性轴，12、接收平板前表面，13、弹性轴前端面，14、柔性密封材料，15、基板前表面，16、密闭空腔，17、光纤线圈，18、基板，19、弹性轴后端面。
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，一种端面接收轴型光纤平面水听器，主要包括接收平板10、弹性轴11、光纤线圈17与基板18，所述接收平板10固定在弹性轴前端面13且与其轴线垂直以接收声信号，所述光纤线圈17绕制在弹性轴11表面，所述弹性轴后端面19固定在基板18的盲孔内；所述基板前表面15与接收平板前表面12平齐且两者之间通过柔性密封材料14密封，基板18与弹性轴18之间形成密闭空腔16以避免弹性轴11的柱面受到声场影响。
所述的接收平板10与弹性轴11的结构尺寸、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。根据应用所需，光纤线圈17可以由保偏或普通单模光纤绕制。接收平板10与基板18可选用铝合金、钛合金、不锈钢等刚性材料，弹性轴11可选用聚碳酸酯、聚氨酯等弹性材料。弹性轴11可设计为中空的管形，端面接收声压时通过弯曲引起光纤形变；弹性轴11表面设置有凹槽，在凹槽内绕制有轴型的光纤线圈17；也可设计为实心棒形，端面接收声压时通过体积变化引起光纤形变。柔性密封材料14要求耐静水压，避免水下工作时密闭空腔16失效。
现有的柱面接收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光纤直接绕在弹性轴上，工艺简单；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。本发明提出的端面接收光纤平面水听器的接收平板与主要声传播方向垂直，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，现有的柱面接收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。本发明提出的端面接收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。
为解决上述柱面接收轴型光纤平面水听器的声接收效率与流噪声问题，现有的方案为碟型光纤平面水听器，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接收平板表面。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。但相对于轴型光纤线圈，碟形光纤线圈的绕制工艺复杂，不易控制。且由于光纤弯曲半径的限制，光纤线圈的中心位置无法利用，造成接收平板面积的浪费，不利于灵敏度的提高。若通过光纤长度提高灵敏度，又将导致光纤层数的增加，光纤线圈的刚性增加将抵消灵敏度的提高效果，使得碟型光纤水听器的灵敏度受限。
本发明提出的平面水听器沿用轴型光纤线圈与弹性轴，工艺成熟；为提高灵敏度，光纤长度增加可通过每层光纤匝数增加实现，避免了光纤层数增加对灵敏度的抵消。本发明提出的端面接收轴型光纤平面水听器接收平板固定在弹性轴前端面且与其轴线垂直以接收声信号，光纤线圈绕制在弹性轴表面，弹性轴后端面固定在基板盲孔内。所述光纤平面水听器的声接收平板与主要声传播方向垂直，声接收效率高；光纤线圈直接绕制在弹性轴上，灵敏度易于提高，工艺成熟；组装后接收声表面上所有结构平齐，降低了平面水听器流噪声，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。仿真结果显示，对于首阶谐振频率相同、外形尺寸相同的光纤平面水听器，端面接收轴型水听器灵敏度是碟型水听器灵敏度的2倍。所以，本发明提出的端面接收轴型光纤平面水听器通过成熟工艺有效实现了光纤平面水听器的灵敏度提高与流噪声降低。
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)

1.一种端面接收轴型光纤平面水听器，其特征在于：主要包括接收平板(10)、弹性轴(11)、光纤线圈(17)与基板(18)，所述接收平板(10)固定在弹性轴前端面(13)且与其轴线垂直以接收声信号，所述光纤线圈(17)绕制在弹性轴(11)表面，所述弹性轴后端面(19)固定在基板(18)的盲孔内；所述基板前表面(15)与接收平板前表面(12)平齐且两者之间通过柔性密封材料(14)密封，基板(18)与弹性轴(18)之间形成密闭空腔(16)以避免弹性轴(11)的柱面受到声场影响。
2.根据权利要求1所述的端面接收轴型光纤平面水听器，其特征在于：所述的弹性轴(11)为中空的管形，端面接收声压时通过弯曲引起光纤形变；弹性轴(11)表面设置有凹槽，在凹槽内绕制有轴型的光纤线圈(17)。
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