CN110673204B - 基于螺旋管平衡静压的光纤光栅水听器 - Google Patents
基于螺旋管平衡静压的光纤光栅水听器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种光纤水听器，特别公开了一种基于螺旋管平衡静压的光纤光栅水听器。该光纤光栅水听器，包括一端开口的圆柱形刚性筒，其特征在于：所述刚性筒的开口端安装有声敏膜片并在端口上连接有端盖，端盖侧壁上开有透声窗，刚性筒的内壁上安装有靠近声敏膜片的弹性补偿体；刚性筒的内部轴线处安装有光纤光栅，光纤光栅的一端与声敏膜片连接，另一端与刚性筒的封闭端连接；刚性筒的侧壁上开有连通孔，螺旋管安装在刚性筒内，其一端开口通过连通孔连接刚性筒外侧，一端开口在刚性筒内。本发明在较小的体积上实现了高动态灵敏度与静压平衡；在有效的空间内增大了管的长度，降低了高通截止频率，扩展了低频带宽，可靠性大大提高。
Description
（一）技术领域
本发明涉及一种光纤水听器，特别涉及一种基于螺旋管平衡静压的光纤光栅水听器。
（二）背景技术
光纤水听器是利用光纤的传光特性以及周围环境声压作用产生的调制效应，探测水中声音的仪器。与传统的电磁类水听器相比，光纤水听器具有如下优势：声压灵敏度高、不受电磁干扰、体积小、防水耐腐蚀、兼具传感及传输于一身等优点，在海洋油气资源勘探、水下导航、海洋国防等领域具有良好的应用前景。
目前光纤水听器的主要技术方案包括强度调制型、干涉式、光纤光栅式等，光纤光栅式水听器由于具有灵敏度高、体积小、易于波分复用等优势，为制造高灵敏度、超细、轻便、快速布放水声传感器阵列提供了可能，在随船水声测量，岛屿、港口快速警戒等领域有着广泛的应用前景。
由于光纤光栅水听器是波长敏感型传感器，光纤光栅的波长随压强变化，因此，如何在保证较高的压力测量灵敏度的同时提高耐静水压的能力，是光纤光栅水听器应用必需解决的关键技术。
张文涛等发明了一种静压自补偿光纤光栅水听器，采用活塞感受声压并对光纤光栅进行增敏，并通过进水孔使活塞两端的水压达到平衡，在保证光纤光栅水听器的高灵敏度的同时提高了光纤光栅水听器耐静水压的能力。
Steven Goodman等提出一种带气囊的平衡静压型光纤光栅水听器结构，在水听器的空腔上连接一个气囊，从而达到水听器空腔内外的压强平衡。
M．杜瓦西等发明了一种对温度或静压不灵敏的全光水听器，机械结构包括一个或多个允许静压平衡的孔。
张发祥等公开了一种光纤光栅水听器及声压传感系统，采用声敏筒、平衡管、腔体和弹性补偿体结构，实现了平衡静水压，提高耐静水压能力及声压信号的频率测量范围。
现有的技术方案仍存在以下问题：
（1）结构复杂，体积笨重，工作水深有限，可靠性低，如Steven Goodman等提出的方案，气囊体积大，不利于水听器结构的小型化，影响实用；气囊体积为水听器空腔体积5倍时，理论最大水深只有50m；气囊体积大，容易受到破坏；
（2）平衡静压与保持高动态灵敏度的矛盾，如张文涛等提出的方案，当静水压足够大，使空腔中完全注满水之后，由于水的不可压缩性，使活塞在声压作用下难以发生变形，灵敏度和幅频特性会恶化；水听器支撑筒侧壁开有长孔，光纤光栅暴露在外界流体中，容易受到损坏；
（3）低频特性，水听器平衡静压在响应特征上表现为高通滤波特性，因此高通截止频率以下频段，灵敏度降低，对于极低频的水声信号、次声信号的探测能力不足，如何降低高通截止频率，以扩展低频频率范围，是需要解决的技术问题。
（三）发明内容
本发明为了弥补现有技术的不足，提供了一种动态灵敏度高、静压平衡性好、体积小的基于螺旋管平衡静压的光纤光栅水听器。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种基于螺旋管平衡静压的光纤光栅水听器，包括一端开口的圆柱形刚性筒，其特征在于：所述刚性筒的开口端安装有声敏膜片并在端口上连接有端盖，端盖侧壁上开有透声窗，刚性筒的内壁上安装有靠近声敏膜片的弹性补偿体；刚性筒的内部轴线处安装有光纤光栅，光纤光栅的一端与声敏膜片连接，另一端与刚性筒的封闭端连接；刚性筒的侧壁上开有连通孔，螺旋管安装在刚性筒内，其一端开口通过连通孔连接刚性筒外侧，一端开口在刚性筒内。
本发明的声敏膜片安装于刚性筒和端盖的连接处，用于在声压作用下发生形变，安装于刚性筒内部轴线处的光纤光栅用于感测声压，而靠近声敏膜片的弹性补偿提能够在压力作用下变形，螺旋管将外界流体与刚性筒内部流体连通且实现较长的连通路径。
本发明的更优技术方案为：
所述刚性筒的封闭端安装有温度补偿体，光纤光栅通过温度补偿体与刚性筒连接；优选的，温度补偿体采用温度膨胀系数大于刚性筒的材料制成，刚性筒为低温度膨胀系数的金属材料,如钛合金。
所述端盖的端部安装有弹性块，弹性块为中心带有通孔的橡胶圆柱，通过紧配合或环氧胶粘接的方式固定在端盖中部的通孔中，光纤光栅的尾纤穿过弹性块引出，从而保护尾纤不易损坏。
所述刚性筒的开口端开有台阶，端盖通过过紧配合与刚性筒连接，且挤压固定安装于台阶处的声敏膜片，以将声敏膜片固定；端盖与刚性筒的连接缝密封，一般采用激光焊接或环氧胶粘接方式密封。
所述螺旋管为金属管弯曲而成，其内径为0.5mm，外径为1mm。
所述弹性补偿体为耐水橡胶材料的圆环结构，能够在压力作用下变形。
所述光纤光栅为光纤布拉格光栅或有源光纤光栅。
所述光纤光栅安装时，通过预拉的方式，使其具有一定的预紧力，较佳的，预紧力为0.1-0.5N。
本发明采用感声膜片声压增敏、螺旋管平衡静压、内腔弹性体补偿结构有效结合，在较小的体积上实现了高动态灵敏度与静压平衡；在有效的空间内通过螺旋管平衡静压，有效增大了管的长度，从而降低了高通截止频率，有效扩展了低频带宽；通过细长圆柱外壳结构，有效保护内部光纤光栅和补偿结构，可靠性大大提高。
（四）附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1为本发明的结构示意图。
图中，010刚性筒，011连通孔，020端盖，021透声窗，022弹性块，030声敏膜片，040光纤光栅，050弹性补偿体，060螺旋管，070温度补偿体。
（五）具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
参考图1，为本发明提供的组合结构的光纤激光微震检波器的整体结构图。
其中，刚性筒010为一端开口的圆柱形筒，一般采用低温度膨胀系数的金属材料，如钛合金，侧壁开有连通孔011；端盖020，安装于刚性筒010的开口端，并开有透声窗021；声敏膜片030，一般为弹性圆形薄片，安装于刚性筒010和端盖020的连接处，用于在声压作用下产生形变；较佳的，刚性筒010的开口端开有台阶，端盖020通过紧配合与刚性筒010连接，且挤压安装于台阶处的声敏膜片030，以将声敏膜片030固定；端盖020与刚性筒010的连接缝一般采用激光焊接或环氧胶粘接方式密封；安装于刚性筒010内部轴线处的光纤光栅040，一般为光纤布拉格光栅或有源光纤光栅，光纤光栅040的一端穿过声敏膜片030中心，且通过环氧胶粘接方式或焊接方式与声敏膜片030连接，一端穿过刚性筒010端部的中心，且通过环氧胶粘接或焊接方式与刚性筒010连接，用于感测声压；在安装光纤光栅040时，通过预拉的方式，使其具有一定的预紧力，较佳的，预紧力为0.1N-0.5N；较佳的，端盖020端部进一步安装有弹性块022，一般为中心带有通孔的橡胶圆柱，通过紧配合或环氧胶粘接的方式固定在端盖020中部的通孔中，光纤光栅040的尾纤穿过弹性块022引出，从而保护尾纤不易损坏；通过紧配合或环氧胶粘接的方式安装于刚性筒010内壁靠近声敏膜片030的弹性补偿体050，一般为耐水橡胶材料的圆环，能够在压力作用下变形；安装于刚性筒010内的螺旋管060，一端开口通过连通孔011连接刚性筒外侧，一端开口在刚性筒010内，将外界流体与刚性筒010内部流体连通且实现较长的连通路径；较佳的，螺旋管060由金属管弯曲而成，较佳的，内经约为0.5mm，外径约为1mm。
本发明提供的基于螺旋管平衡静压的光纤光栅水听器工作原理如下：
声敏膜片030在两侧声压差作用下发生变形，引起光纤光栅040轴向拉伸，导致光纤光栅040的波长发生变化，通过检测波长变化，可以探测声压差大小。
在静压作用下，外界流体通过连通孔011和螺旋管060与刚性筒010内的流体达到压强平衡，在内外平衡压强作用下，声敏膜片030仅发生极其微小形变，导致光纤光栅040极其微小的轴向拉伸，光纤光栅040波长变化较小，从而静压灵敏度低，水听器对静水压。
在动态声压作用下，作用于声敏膜片030外侧的声压引起声敏膜片030变形，通过连通孔011和螺旋管060传播到刚性筒内的声压由于时延，使声敏膜片030内侧的流体暂时达不到与外界流体的压强平衡，因此，声敏膜片030内外侧存在瞬时的压强差，导致声敏膜片030发生较大变形，从而对动态声压信号敏感；螺旋管060的路径越长，动态声压达到平衡所需的时间越长，对应动态声压的频率越低，从而通过螺旋管060实现较长的路径，可以有效扩展低频频率，实现低频声信号的高灵敏探测。
高通截止频率根据亥姆霍兹频率确定：
其中，c为流体中的声速，S 孔为螺旋管060的内截面积，V 腔为刚性筒010内流体的有效体积，对于不存在弹性补偿体050的情况，为刚性筒010内流体的总体积，弹性补偿体050的存在，刚性筒010内流体的有效体积可估算为：V 腔=V 流+（E 流/E 弹）V 弹，其中，V 流为刚性筒010内流体的总体积，V 弹为弹性补偿体050的体积，E 流为流体的体弹性模量，E 弹为弹性补偿体050的体弹性模量，弹性补偿体050会增大刚性筒010内流体的有效体积，l 孔为螺旋管060的长度。作为例子，对于不存在螺旋管060和弹性补偿体050的情况，刚性筒010的壁厚约1mm，即l 孔=1.5mm；对于在螺旋管060和弹性补偿体050的情况，若螺旋管060的长度为100mm，l 孔长度增大100倍，而弹性补偿体050约使V 腔增大约100倍，从而根据上述公式，高通截止频率降低约100倍。
当刚性筒010内部填充满液体时，尽管液体的压缩性较小，但由于弹性补偿体050的存在，弹性补偿体050具有较大的可压缩性，因此，声敏膜片030的变形幅度不会因为内部填充液体而导致较大变化，从而，在较大的静压范围内，动态声压都会导致声敏膜片030发生较大形变，引起光纤光栅040的轴向拉伸，光纤光栅040波长变化较大，从而声压灵敏度高，水听器动态声压敏感。
本发明提供的基于螺旋管平衡静压的光纤光栅水听器可在刚性筒010端部进一步安装有温度补偿体070，光纤光栅040通过温度补偿体070与刚性筒010连接，且较佳的，温度补偿体070采用温度膨胀系数大于刚性筒010的材料制成；例如，温度补偿体070采用温度膨胀系数较高的不锈钢材料，刚性筒010采用温度膨胀系数较低的钛合金材料，在温度变化时，刚性筒的热膨胀和补偿体的热膨胀形变方向相反，一定程度抵消，从而抵消结构热膨胀对光纤光栅的拉伸，使水听器具有较低的温度灵敏度；
本发明通过细长圆柱外壳结构，有效保护内部光纤光栅和补偿结构，可靠性大大提高。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于螺旋管平衡静压的光纤光栅水听器，包括一端开口的圆柱形刚性筒（010），其特征在于：所述刚性筒（010）的开口端安装有声敏膜片（030）并在端口上连接有端盖（020），端盖（020）侧壁上开有透声窗（021），刚性筒（010）的内壁上安装有靠近声敏膜片（030）的弹性补偿体（050）；刚性筒（010）的内部轴线处安装有光纤光栅（040），光纤光栅（040）的一端与声敏膜片（030）连接，另一端与刚性筒（010）的封闭端连接；刚性筒（010）的侧壁上开有连通孔（011），螺旋管（060）安装在刚性筒（010）内，其一端开口通过连通孔（011）连接刚性筒（010）外侧，一端开口在刚性筒（010）内。
2.根据权利要求1所述的基于螺旋管平衡静压的光纤光栅水听器，其特征在于：所述刚性筒（010）的封闭端安装有温度补偿体（070），光纤光栅（040）通过温度补偿体（070）与刚性筒（010）连接。
3.根据权利要求1所述的基于螺旋管平衡静压的光纤光栅水听器，其特征在于：所述端盖（020）的端部安装有弹性块（022），弹性块（022）为中心带有通孔的橡胶圆柱，固定在端盖（020）中部的通孔中，光纤光栅（040）的尾纤穿过弹性块（022）引出。
4.根据权利要求1所述的基于螺旋管平衡静压的光纤光栅水听器，其特征在于：所述刚性筒（010）的开口端开有台阶，端盖（020）通过过紧配合与刚性筒（010）连接，且挤压固定安装于台阶处的声敏膜片（030）；端盖（020）与刚性筒（010）的连接缝密封。
5.根据权利要求1所述的基于螺旋管平衡静压的光纤光栅水听器，其特征在于：所述螺旋管（060）为金属管弯曲而成，其内径为0.5mm，外径为1mm。
6.根据权利要求1所述的基于螺旋管平衡静压的光纤光栅水听器，其特征在于：所述弹性补偿体（050）为耐水橡胶材料的圆环结构。
7.根据权利要求1所述的基于螺旋管平衡静压的光纤光栅水听器，其特征在于：所述光纤光栅（040）为光纤布拉格光栅或有源光纤光栅。
8.根据权利要求1所述的基于螺旋管平衡静压的光纤光栅水听器，其特征在于：所述光纤光栅（040）的预紧力为0.1-0.5N。
9.根据权利要求2所述的基于螺旋管平衡静压的光纤光栅水听器，其特征在于：所述温度补偿体（070）采用温度膨胀系数大于刚性筒的材料制成，刚性筒（010）为低温度膨胀系数的金属材料。
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