CN112113653A - 一种折叠梁式光纤激光水听器 - Google Patents

Abstract

一种折叠梁式光纤激光水听器，包括：折叠梁、镂空框架、一对端盖和光纤。本发明通过优化设计光纤激光水听器核心敏感元件折叠梁，实现了尺寸小、结构简单、封装工艺简单、生产周期短、低成本、高灵敏度、低频响应平坦、性能稳定、一致性良好等优良性能，可实现20Hz～5kHz频带范围内水声信号的准确测量、灵敏度起伏小、成阵后满足小型UUV特种作业的光纤激光水听器。

Description

一种折叠梁式光纤激光水听器

技术领域

本发明涉及一种折叠梁式光纤激光水听器，属于光纤激光水听器水声探测技术领域。特别是一种低频响应平坦的高灵敏度光纤激光水听器。

背景技术

水下声学探测是海军反潜、能源勘探、海洋渔业及水声物理研究等各领域研究的技术基础，而水听器的声学性能是衡量水下声学探测能力的重要指标，是当前世界上各国的重点研究方向。目前，水听器可分为压电水听器及光纤水听器两大类，由于体积小、灵敏度高、易成缆等优势，可以实现水下光缆网络密集布放、小型UUV拖曳阵探测特种作业等军事活动，光纤水听器已成为水听器研究的主流方向。

光纤水听器根据不同的传感机理，主要分为三大类：强度型、干涉型和光纤光栅型，但前两种容易受到光强度稳定性的影响，且体积庞大，难以复用组阵，而光纤光栅型体积小，且其传感信息由波长编码，不会受到光强损耗、光纤连接/耦合损失及光源功率变化的影响，信号不易受到干扰，可以更加方便地利用波分复用技术在同一根光纤中串联多个水听器进行全光纤探测，减少了水听器阵列的重量和尺寸，并且降低了成本。

目前，国内外光纤激光水听器的结构主要有：双弹性模片封装结构、弹性梁结构、夹层式封装结构、梭形封装结构等几种形式，不同的结构形式导致探头的固有频率不同，实验效果各有差异，但针对20Hz-5kHz频带范围内的灵敏度平坦性均较差、封装工艺复杂无法小型化且成本较高，针对此现象，面向响应平坦的低频高灵敏度的任务需求，实现低成本、结构简单、封装工艺简单、性能稳定、一致性良好的指标要求，亟需设计一种新的低成本低频响应平坦的高灵敏度光纤激光水听器。

专利CN 108151865 A《一种竹节式光纤激光水听器封装结构及其装配方法》提出了一种竹节式弹性桶光纤激光水听器，但是该专利所使用的结构生产、装配都过于复杂，膜片式结构无法保证厚度统一，且充油过程中极易引入气泡，而水听器内部气泡的散射效应对声波的探测影响极大，同时过多的人为操作极大地影响了水听器的一致性，探头性能差异较大。在光纤激光水听器试验测试过程中发现竹节式光纤激光水听器由于自身结构固有频率较低，在宽频带下频响曲线起伏较大，尤其是针对1kHz以下，严重影响光纤激光水听器的低频响应特性。

专利CN 107631790 A《一种硅基膜片式光纤激光水听器及其制备方法》提出了一种硅基膜片式光纤激光水听器，但该结构所选材料弹性模量极高，且敏感元件仅为简单的板结构，灵敏度较差，采用MEMS刻蚀工艺，难度极大，造价相当高昂，且目前未见成品或相关实验数据，严重影响光纤激光水听器的工程应用。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种折叠梁式光纤激光水听器，解决了现有光纤激光水听器低频探测性能的不足的问题。该水听器尺寸小、结构简单、封装工艺简单、生产周期短、成本低、高灵敏度、低频响应平坦、性能稳定、一致性良好，能够实现20Hz～5kHz频带范围内水声信号的准确测量、灵敏度起伏小、成阵后满足小型UUV特种作业的光纤激光水听器。

本发明的技术方案是：

一种折叠梁式光纤激光水听器，包括：折叠梁、镂空框架、一对端盖和光纤；

镂空框架为圆筒结构，镂空框架的两端固定安装有端盖，镂空框架的筒壁周向均布有n个腰形孔，所述腰形孔作为透声窗；

镂空框架内部沿轴向设置有折叠梁；

所述折叠梁为由多个轴向延长部和多个径向延长部组成的S型弯折结构；轴向延长部和径向延长部依次连接，且轴向延长部和径向延长部互相垂直；位于镂空框架轴线上的折叠梁开设有朝向相同的凹槽作为光纤槽；折叠梁的两端通过端盖和镂空框架固定连接；

所述光纤沿镂空框架轴线放置在光纤槽内；光纤的两端从所述端盖中穿出；

所述折叠梁为面对称结构，对称面位于镂空框架轴线中点所在的径向截面；

折叠梁还设置有两处关于所述对阵面对称的圆形挡板，圆形挡板与镂空框架之间不接触；

圆形挡板中间开有通孔使光纤穿过，光纤与折叠梁的胶粘处位于圆形挡板外端面的光纤槽中，定义圆形挡板背离所述对称面的端面为外端面；

镂空框架内部填装有聚氨酯灌封胶；

折叠梁和镂空框架之间不接触。

所述折叠梁、镂空框架和端盖的材料为铝合金。

所述折叠梁为面对称结构，对称面位于镂空框架轴线中点所在的径向截面；对称面两侧均设置有七段轴向延长部，轴向长度依次为A：C：D：C：C：C： A＝1：4：6～7：4：4：4：1；

其中，位于第一段和位于第七段的轴向延长部的轴向长度均为A，位于第二段、第四段、第五段和第六段的轴向延长部的轴向长度均为C，位于第三段轴向延长部的轴向长度为D。

所述圆形挡板为圆柱体，圆形挡板的外壁直径E和位于第一段的轴向延长部轴向长度A之间满足如下比例关系：

A：E＝1：5～6。

所述光纤为有源光纤。

所述光纤的两端施加有预紧力F；

其中，E_f为光纤光栅的弹性模量，A_f为光纤光栅的横截面积，Δλ_F为光纤光栅的波长变化量，λ_F为光纤光栅的中心波长，k为常数且不小于1。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1、本发明公开了一种折叠梁式光纤激光水听器封装结构，包括外侧设置圆形挡板的多处弯折的铝合金折叠梁式结构，内部填充聚氨酯灌封胶，在保证光纤激光水听器细直径的前提下，与竹节式弹性桶光纤激光水听器中的膜片式结构相比，金属结构具有更高的等效弹性模量，提高水听器结构的一阶共振频率，从而实现了光纤激光水听器在20Hz～5kHz频带范围内具有平坦的输出响应；

2、本发明所述的折叠梁结构通过优化光纤激光水听器敏感结构，在所述折叠梁1多处设计薄壁弯折部分，与硅基膜片式光纤激光水听器相比，在保证敏感结构共振频率足够高的前提下，提高水听器结构的弹性，使得声波激励光纤激光水听器后，拥有足够的输出响应，从而极大地提高了光纤激光水听器的灵敏度；

3、本发明所述的折叠梁式光纤激光水听器，内部处于全联通状态，通过封装模具将水听器内部灌满聚氨酯胶体，与竹节式弹性桶光纤激光水听器的充油方式相比，可以避免引入气泡，从而导致光纤激光水听器内部产生空气腔，在保证水听器低频响应平坦性的前提下，提升了光纤激光水听器的抗压能力，便于实现小型移动平台深海监测任务的搭载；

4、本发明所述的折叠梁式光纤激光水听器，由于内部灌满聚氨酯胶体，与竹节式弹性桶光纤激光水听器内部充满硅油的封装方式相比，可避免长时间使用后，水听器内部出现气泡，导致水听器内部气泡对声信号的散射作用，从而影响水听器对声信号的探测，同时内部灌满聚氨酯胶体的封装方式较竹节式弹性桶光纤激光水听器相比，可提升水听器可靠性，避免由于外层薄胶体破损导致的硅油泄漏造成光纤激光水听器失效的风险；

5、本发明所述的折叠梁式光纤激光水听器，较竹节式弹性桶光纤激光水听器与硅基膜片式光纤激光水听器，结构简单，封装工艺简单，需要人为操作较少，生产周期短，成本低，一致性、稳定性优异，可满足短期内大批量生产成阵的生产需求。

附图说明

图1是本发明折叠梁1结构的尺寸说明图；

图2是本发明本发明折叠梁式光纤激光水听器结构的三维图；

图3是本发明折叠梁1的结构示意图；

图4是本发明光纤光栅与折叠梁1的组合方式示意图；

图5是本发明折叠梁式光纤激光水听器结构的剖面视图；

图6是图5中A处的局部放大图；

图7是本发明折叠梁式光纤激光水听器的谐振响应曲线。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的描述。

一种折叠梁式光纤激光水听器，如图2所示，包括：折叠梁1、镂空框架 2、一对端盖3和光纤4。如图3、图4所示，折叠梁1设置有一轴线方向的光纤槽11、左挡板12、右挡板13和光纤粘接点14、光纤粘接点15，光纤4放置于折叠梁1的光纤槽11中，在光纤4两端施加一定拉力F，调整光纤4栅区位置于折叠梁1的左挡板12、右挡板13的中间，利用2011II型环氧树脂混合胶将光纤4粘在光纤粘接点14、15处；如图5、图6所示，折叠梁1穿入镂空框架2后，将光纤4两端尾纤穿过一对端盖3贯通孔21，使用HY914环氧树脂胶将镂空框架2与一对端盖3粘接于阶梯槽22处，后将折叠梁1两端凸起粘接于一对端盖3的贯通孔21处。光纤4为有源光纤。

在底部模具半圆柱凹槽内涂抹一层GF-5甲乙1:1配比聚氨酯灌封胶，后将所述装配好的折叠梁式光纤激光水听器结构放置于底部模具半圆柱凹槽内，向所述折叠梁式光纤激光水听器结构及顶部模具半圆柱凹槽内灌注聚氨酯胶，后将顶部模具与底部模具装配组合，完成折叠梁式光纤激光水听器聚氨酯胶体灌封；在所述顶部模具的两个贯通孔处补齐聚氨酯至在模具上表面形成一个胶体凸起，固化后拆除所述顶部模具和底部模具，得到折叠梁式光纤激光水听器。

一种折叠梁式光纤激光水听器，包括：折叠梁1、镂空框架2、一对端盖3 和光纤4；

镂空框架2为圆筒结构，镂空框架2的两端固定安装有端盖3，镂空框架 2的筒壁周向均布有n个腰形孔，即镂空区域，所述腰形孔作为透声窗；

镂空框架2内部沿轴向设置有折叠梁1；

所述折叠梁1为由多个轴向延长部和多个径向延长部组成的S型弯折结构；轴向延长部和径向延长部依次连接，且轴向延长部和径向延长部互相垂直；位于镂空框架2轴线上的折叠梁1开设有朝向相同的凹槽作为光纤槽11；折叠梁1的两端通过端盖3和镂空框架2固定连接；

所述光纤4沿镂空框架2轴线放置在光纤槽11内；光纤4的两端从所述端盖3中穿出；所述光纤4与折叠梁1的胶粘处位于端盖3内部；

所述折叠梁1为面对称结构，对称面位于镂空框架2轴线中点所在的径向截面；

折叠梁1还设置有两处关于所述对阵面对称的圆形挡板，圆形挡板与镂空框架2之间不接触；

圆形挡板中间开有通孔使光纤4穿过，光纤4与折叠梁1的胶粘处位于圆形挡板外端面的光纤槽11中，定义圆形挡板背离所述对称面的端面为外端面；

镂空框架2内部填装有聚氨酯灌封胶；

折叠梁1和镂空框架2之间不接触。

所述折叠梁1、镂空框架2和端盖3的材料为铝合金。材料的选取原则为满足水听器声学性能的前提下，质量小者为优，水听器在设计过程中需要控制结构的一阶共振频率f₁远大于工作频带，即f₁＞＞5kHz，水听器等效密度越低越易于实现零浮力成缆，综合考虑折叠梁1的加工工艺难度，最终选为铝合金材料。

所述折叠梁1对称面两侧均设置有七段轴向延长部，轴向长度依次为A： C：D：C：C：C：A＝1：4：6～7：4：4：4：1；

其中，位于第一段和位于第七段的轴向延长部的轴向长度均为A，位于第二段、第四段、第五段和第六段的轴向延长部的轴向长度均为C，位于第三段轴向延长部的轴向长度为D。

所述圆形挡板为圆柱体，圆形挡板的外壁直径E和位于第一段的轴向延长部轴向长度A之间满足如下比例关系：

A：E＝1：5～6。

所述光纤4的两端施加有预紧力F；

其中，E_f为光纤4光栅的弹性模量，A_f为光纤4光栅的横截面积，Δλ_F为光纤4光栅的波长变化量，λ_F为光纤4光栅的中心波长，k为常数且不小于1。对光纤两端施加预紧力F有利于提升光纤激光水听器的灵敏度及频响曲线平坦度，预紧力F的施加受不同的胶体选型、粘接面面积及表面处理方式影响较大，预紧力F的大小可根据封装过程中胶体与金属、光纤的实际粘接效果综合考虑。

实施例

本发明折叠梁1设计有多处直角弯折部分，呈具有凹陷和凸起的弯折结构；折叠梁1中心设置有一轴向长方形凹槽，两端分别设置有一个圆形挡板，依次为左挡板12和右挡板13，圆形挡板轴线与镂空框架2的轴线重合；其中，圆形挡板外侧梁结构由方形截面转变为圆形截面的凸起。折叠梁1结构沿轴向插入镂空框架2中。一对端盖3分别设置在镂空框架2的两端，依次将所述折叠梁1外侧圆柱状凸起插入端盖3的中心通孔内，由端盖对折叠梁1进行限位固定；其中，镂空框架2、折叠梁1与端盖内部充满GF-5甲乙1：1配比聚氨酯灌封胶。有源光纤位于镂空框架2中轴线位置，有源光纤的两端分别从所述一对端盖穿出。光纤4和端盖3之间填充有聚氨酯灌封胶，光纤4和端盖3之间不直接接触。

所述折叠梁1中段弹性部分的正视面为：具有凸起和凹陷的弯折结构；所述折叠梁1中段弹性部分的俯视面为：细梁结构；所述折叠梁1外部弯折部分的侧视面为：长方形；圆形挡板结构的直径及中段弹性折叠梁1与轴向垂直面的最大等效直径均小于镂空框架2内径；其中折叠梁1结构与铜质镂空框架2 不接触，二者通过两侧端盖进行连接。

折叠梁1两端圆形挡板的外侧设置有对称的外部弯折部分；其中，所述折叠梁1外部弯折部分的正式面为：具有凸起的弯折结构；所述折叠梁1外部弯折部分的俯视面为：细梁结构；所述折叠梁1外部弯折部分的侧视面为：长方形；

铝合金材质的折叠梁1最外侧两端设置有一对圆台凸起；其中，折叠梁1 最外侧两端外表面为：具有圆柱状凸起的台阶结构；

折叠梁1沿轴线方向设置有一条光纤槽，贯通整个折叠梁1结构；其中，所述光纤槽为截面为长方形的凹槽。

如图1所示，折叠梁1结构为左右对称式，圆柱状台阶长度为A，等效直径为B，增敏弯折部分的长度尺寸分别为A、C、D，其中长度A、B、C、D按 1:2:4:6～7设置，长度A、E按1:5～6设置。

综上，本发明公开的折叠梁式光纤激光水听器结构简单，封装工艺简单，且折叠梁1、端盖、框架均可采用机械加工方式生产，制作成本低、生产周期短、一致性高，可实现短期内大批量的封装。

工作过程中，光纤激光水听器受声波激励后，镂空框架2产生径向收缩，折叠梁1两端的圆柱挡板会受到向外侧的挤压力，带动折叠梁1产生伸缩效应，从而导致折叠梁1光纤槽内部的有源光纤光栅产生伸长和收缩变化，使得光栅的输出波长发生相应变化，通过后端解调即可反演得到声波信号。

折叠梁式光纤激光水听器采用折叠梁式声学敏感元件，材质可选用弹性模量较高的金属材质，其弹性模量可达70GPa～200GPa，内部填充满聚氨酯灌封胶从而提升光纤激光水听器的共振频率，如图7所示，为本发明公开的折叠梁式光纤激光水听器在1μPa声压激励下的谐振响应曲线，可见本发明公开的折叠梁式光纤激光水听器具有良好的低频响应平坦性，折叠梁式光纤激光水听器可以实现对20Hz～5kHz频段内信号的准确测量。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (6)

1.一种折叠梁式光纤激光水听器，其特征在于，包括：折叠梁(1)、镂空框架(2)、一对端盖(3)和光纤(4)；

镂空框架(2)为圆筒结构，镂空框架(2)的两端固定安装有端盖(3)，镂空框架(2)的筒壁周向均布有n个腰形孔，所述腰形孔作为透声窗；

镂空框架(2)内部沿轴向设置有折叠梁(1)；

所述折叠梁(1)为由多个轴向延长部和多个径向延长部组成的S型弯折结构；轴向延长部和径向延长部依次连接，且轴向延长部和径向延长部互相垂直；位于镂空框架(2)轴线上的折叠梁(1)开设有朝向相同的凹槽作为光纤槽(11)；折叠梁(1)的两端通过端盖(3)和镂空框架(2)固定连接；

所述光纤(4)沿镂空框架(2)轴线放置在光纤槽(11)内；光纤(4)的两端从所述端盖(3)中穿出；

所述折叠梁(1)为面对称结构，对称面位于镂空框架(2)轴线中点所在的径向截面；

折叠梁(1)还设置有两处关于所述对阵面对称的圆形挡板，圆形挡板与镂空框架(2)之间不接触；

圆形挡板中间开有通孔使光纤(4)穿过，光纤(4)与折叠梁(1)的胶粘处位于圆形挡板外端面的光纤槽(11)中，定义圆形挡板背离所述对称面的端面为外端面；

镂空框架(2)内部填装有聚氨酯灌封胶；

折叠梁(1)和镂空框架(2)之间不接触。

2.根据权利要求1所述的一种折叠梁式光纤激光水听器，其特征在于，所述折叠梁(1)、镂空框架(2)和端盖(3)的材料为铝合金。

3.根据权利要求1～2任意之一所述的一种折叠梁式光纤激光水听器，其特征在于，所述折叠梁(1)对称面两侧均设置有七段轴向延长部，轴向长度依次为A：C：D：C：C：C：A＝1：4：6～7：4：4：4：1；

其中，位于第一段和位于第七段的轴向延长部的轴向长度均为A，位于第二段、第四段、第五段和第六段的轴向延长部的轴向长度均为C，位于第三段轴向延长部的轴向长度为D。

4.根据权利要求3所述的一种折叠梁式光纤激光水听器，其特征在于，所述圆形挡板为圆柱体，圆形挡板的外壁直径E和位于第一段的轴向延长部轴向长度A之间满足如下比例关系：

A：E＝1：5～6。

5.根据权利要求4所述的一种折叠梁式光纤激光水听器，其特征在于，所述光纤(4)为有源光纤。

6.根据权利要求5所述的一种折叠梁式光纤激光水听器，其特征在于，所述光纤(4)的两端施加有预紧力F；

其中，E_f为光纤(4)光栅的弹性模量，A_f为光纤(4)光栅的横截面积，Δλ_F为光纤(4)光栅的波长变化量，λ_F为光纤(4)光栅的中心波长，k为常数且不小于1。

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