DE68914354T2

DE68914354T2 - Hydrophon.

Info

Publication number: DE68914354T2
Application number: DE68914354T
Authority: DE
Inventors: Alan Charles Curtis; Michael Laurence Henning
Original assignee: Marconi Co Ltd
Current assignee: Thales Underwater Systems Ltd
Priority date: 1988-07-20
Filing date: 1989-07-07
Publication date: 1994-07-28
Anticipated expiration: 2009-07-08
Also published as: US4998226A; DE68914354D1; EP0351990B1; AU3800989A; GB8817256D0; GB2221120B; EP0351990A3; AU623664B2; GB2221120A; EP0351990A2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Hydrophone und insbesondere auf trägheitsunempfindliche optische Faser- Hydrophone.
Wie alle Hydrophone unterliegt die optische Faser-Version einer Trägheits- oder Beschleunigungsempfindlichkeit aufgrund ihrer eigenen Masse: das heißt, sie kann nicht unterscheiden, ob sie eine Beschleunigung oder eine statische Kraft wie beispielsweise einen Schalldruck "sieht". Diese Empfindlichkeit hängt sowohl von der besonderen Konstruktion des Sensors als auch vom intrinsischen Transduktionsmechanismus ab und kann durch eine "ausgeglichene" Konstruktion, die den Effekt der Beschleunigung zunichte macht, oder durch eine geeignete Konstruktion und Materialauswahl reduziert werden, welche die Konstruktion von sich aus trägheitsunempfindlich macht.
In einer unterwassergezogenen Anordnung von akustischen Sensoren können die Schwingungsniveaus sehr hoch sein, und die Hydrophon-Trägheitsempfindlichkeit muß entsprechend niedrig sein; dies bezieht sich auf Beschleunigungen sowohl entlang der Anordnung als auch über diese hinweg. Um dies zu erzielen, müssen ausgeglichene Konstruktionen allgemein verwendet werden, und eine Vielzahl von Methoden wird in piezoelektrischer Technologie verwendet, um dies zu erzielen. Ein alternativer Zugang ist, einen Referenzsensor vorzusehen, der von der Meßgröße isoliert ist, jedoch in einer fixierten Position relativ zu einem Sensor, welcher der Meßgröße ausgesetzt ist, gehalten wird. Dies ermöglicht Signalen, die aufgrund von Trägheitseffekten erzeugt werden, welche durch den Referenzsensor wahrgenommen werden, von denjenigen des ausgesetzten Sensors abgezogen zu werden. Das Problem bei diesem Typ von Anordnung ist, daß der Referenzsensor von der Meßgröße isoliert sein muß, während er nach wie vor in einer fixierten Position relativ zum ausgesetzten Sensor aufrechterhalten wird. Eine solche Vorrichtung ist im US-Patent 4 193 130 offenbart.
Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit einem besonderen Zugang, ein Faser-Hydrophon in den longitudinalen und/oder senkrechten Richtungen auszugleichen zur Verwendung in gezogenen Anordnungen und anderen Unterwasser-Anwendungen. Diese Erfindung wird mit besonderen Bezug auf eine gezogene Anordnung beschrieben, ist jedoch außerdem relevant für Eintauch- Sonare und Sonarbojen.
In den meisten gezogenen Anordnungen werden die Hydrophone von den Dehnungs-Bauteilen gehalten, von denen zwei und mehr vorliegen können. Die treibende Wirkung, welche die unerwünschten Beschleunigungs-Ausgänge verursacht, wird über diese Dehnungs-Bauteile aufgebracht. Es wird angenommen, daß das Hydrophon an diesen Dehnungs-Bauteilen befestigt wird, da diese die einzigen strukturellen Elemente in der Anordnung darstellen.
Eine Möglichkeit, ein Ausgleichen einer Faserspule in der longitudinalen Richtung zu erhalten, ist in GB-A-2 189 110 gezeigt. In dieser Anordnung umfaßt das Hydrophon eine Faserspule mit einem Befestigungsflansch, der sich mittig entlang ihrer Länge befindet, so daß eine axiale/longitudinale Beschleunigung gleiche und entgegengesetzte Verformungen der Faser auf beiden Seiten des Flansches verursacht und somit die Effekte einer axialen Beschleunigung aufhebt. Jedoch kompensiert dies nicht in der senkrechten Richtung und könnte schwierig zu realisieren sein als eine Vorrichtung mit einer einzigen Fixierung. Ein weiteres Beispiel einer Standard-Verfahrensweise in herkömmlichen Hydrophonen vom piezoelektrischen Typ ist, bei dem der Piezostapel an jedem Ende an Platten angebracht ist, welche an der Quelle der Beschleunigung angebracht sind; die Druckempfindlichkeit ist unausgeglichen, während eine longitudinale Beschleunigung ausgeglichen ist.
Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist, einige Konfigurationen zu schaffen, in denen einige Prinzipien ähnlich zu denjenigen, die in GB-A-2 189 110 offenbart sind, verwendet werden, um ein longitudinales und senkrechtes Ausgleichen zu erzielen, während eine akustische Empfindlichkeit bewahrt wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Hydrophon geschaffen mit einer optischen Faser-Spule, die in einem Einkapselungs-Material eingebettet ist, einer starren Formeinrichtung mit einem axialen Teil, das sich innerhalb der Spule bezüglich dieser in eine axiale Richtung erstreckt, und Mitteln zum Befestigen der Formeinrichtung an Dehnungs-Bauteilen durch welche bei Benutzung das Hydrophon getragen wird, wobei die Einkapselung auf dem axialen Teil der Formeinrichtung auf eine solche Weise angebracht ist, daß Trägheitskräfte, die auf entgegengesetzten Seiten der Spule durch die Beschleunigung der Formeinrichtung in eine Richtung senkrecht zum axialen Teil erzeugt werden, entgegengesetzte Effekte verursachen und dadurch die Trägheitsempfindlichkeit des Hydrophons reduzieren.
Vorteilhaft umfaßt die Formeinrichtung ein zentrales Teilstück, das im wesentlichen orthogonal zum axialen Abschnitt orientiert ist und diesen stützt, wobei die Spule zwei Abschnitte umfaßt, die auf dem axialen Abschnitt zu beiden Seiten des zentralen Teilstücks positioniert sind, und das zentrale Teilstück die Spule in eine longitudinale Richtung treibt, wodurch ein longitudinales Ausgleichen geschaffen wird, um eine Trägheitsempfindlichkeit zu reduzieren.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein sekundäres Material mit einem geringeren Kompressionsmodul als demjenigen des Einkapselungs-Materials zwischen der Formeinrichtung und dem Einkapselungs-Material positioniert.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nun anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben, worin:
Figur 1 eine Hydrophon-Struktur für eine typische unterwassergezogene Anordnungs-Anwendung zeigt,
Figur 2 eine Hydrophon-Struktur zeigt, die ein sekundäres Material zwischen einer Spule und einer Formeinrichtung einsetzt,
Figur 3 eine Hydrophon-Struktur zeigt, bei der die Enden der Spulen-Einkapselung frei sind,
Figur 4 eine alternative Realisierung der Hydrophon-Struktur zeigt, die in Figur 3 gezeigt ist,
Figur 5 eine Hydrophon-Struktur zeigt, in welcher eine Trägheits-Unempfindlichkeit durch Treiben vom Zentrum erzielt wird, und
Figur 6 eine Hydrophon-Struktur zeigt, in welcher die akustische Empfindlichkeit durch verschiedene Mittel gesteigert ist.
In Figur 1 ist eine Struktur für eine typische unterwassergezogene Anordnungs-Anwendung gezeigt. Longitudinale Dehnungs- Bauteile 1 in der Anordnung werden verwendet, um die interne Einrichtung, einschließlich der Hydrophone, anzubringen. Ein typisches Hydrophon könnte wie in dem Diagramm vorliegen, bei dem die Faserspule 2 in ein kompressibles Material 3 eingekapselt und auf einer starren Formeinrichtung angebracht ist, die an den Dehnungs-Bauteilen befestigt ist; der Spulenaufbau ist fest mit beiden Enden der spulenförmigen Form-Einrichtung und der "Achse" 5 verbunden. Ein longitudinales Ausgleichen wird durch die Wirkung von sowohl den Enden 4 als auch der Achse 5 erzielt, obwohl etwas Ausgleichen dadurch erzielt werden könnte, daß einer dieser beiden allein wirkt. Es sollte festgehalten werden, daß in die senkrechte Richtung die Spule, die symmetrisch von innerhalb ihres Umfangs getrieben wird, immer dazu neigen wird, ausgeglichen zu sein, da einer Druckkraft auf ein Teil immer durch entgegengesetzte Effekte auf ein anderes Teil der Spule entgegengewirkt wird.
Nach Figur 1 treibt das Achsenteil 5 der starren Befestigung die Spule in eine senkrechte Richtung und erzielt infolgedessen senkrechtes Ausgleichen. Durch geeignete Wahl von Einkapselungs-Material und starren Materials für die Formeinrichtung kann die akustische Empfindlichkeit der Spule aufrechterhalten werden. Als eine Verallgemeinerung sollte die Einkapselung einen geringen Kompressionsmodul aufweisen, während die Formeinrichtung von leichtem Gewicht sein und Steifigkeit aufweisen sollte. Die starre Formeinrichtung könnte aus einer Legierung geringer Masse oder einem starren Wärmeaushärtungs-Material hergestellt sein. Eine Variation dieser Technik ist in Figur 2 gezeigt, wo ein sekundäres Material 6 zwischen der Spule 2 und der Formeinrichtung 4, 5 von geringerem Kompressionsmodul als die Einkapselung 3 verwendet wird. Dies erhöht die akustische Empfindlichkeit, während wahrscheinlich das Beschleunigungsansprechen verschlechtert wird (Luft wäre von einem akustischen Gesichtspunkt her ideal, würde jedoch nicht ein angemessenes Koppeln für eine vertikale Trägheits-Kompensation schaffen). Das Material 6, für welches ein Beispiel ein Epoxy-Harz geringen Moduls ist, sollte eine höhere Kompressibilität als die Einkapselung 3 aufweisen. Die Einkapselung 3 könnte beispielsweise Gummi oder Harzepoxy sein.
Noch eine weitere Variation ist in Figur 3 gezeigt, wo die Enden der Einkapselung frei oder eher weniger eingezwängt sind als in vorigen Beispielen, und ein sekundäres Material 6 zwischen die Formeinrichtungsenden 4 und die Einkapselung 3 eingesetzt ist. Wenn in diesem Fall das sekundäre Material 6 weggelassen würde, würde hydrostatischer Druck, der auf die Enden wirkt, dazu neigen, eine akustische Empfindlichkeit zu reduzieren. Durch eine geeignete Wahl eines sekundären Materials 6 oder einer sekundären Struktur sollte eine Einzwängung reduziert und eine akustische Empfindlichkeit erhöht werden. Die relative Beschleunigungsempfindlichkeit würde durch die Konstruktion und die Materialien, die verwendet werden, beeinträchtigt werden. Beispiele von sekundären Materialien, die eine hohe Kompressibilität aufweisen sollten, d.h. einen niedrigen Kompressionsmodul, sind Luft oder geschäumtes Gummi. Die Einkapselung 3 würde beispielsweise Gummi oder Epoxyharz sein. Weitere Beispiele von geeigneten Hydrophon-Konstruktionen sind in den Figuren 4, 5 und 6 gegeben.
Figur 4 zeigt eine alternative Realisierung des Konzepts von Figur 3, in welcher die Enden der Faser-Einkapselung 3 vollständig frei und das sekundäre Material Luft ist, die in einer Lücke 4c enthalten ist. Die Empfindlichkeit für eine axiale Beschleunigung hängt nun von der Starrheit des einkapselnden Materials ab, und ein Material sollte ausgewählt werden, das einen geeigneten Kompromiß ergibt zwischen maximaler akustischer Empfindlichkeit und minimaler Beschleunigungsempfindlichkeit. Die Einkapselung 3 wird auf Widerlagern 4a gehalten und ist gegen diese abgedichtet durch geeignete Mittel, beispielsweise o-Ringe 4b. Die Einkapselung 3 könnte beispielsweise hartes Gummi, Epoxy oder Polyester sein.
Figur 5 ist eine Konstruktion, in der sowohl senkrechte als auch longitudinale Trägheits-Unempfindlichkeit durch Treiben vom Zentrum sowohl axial als auch radial über ein zentrales Teilstück 4 erzielt wird. Im dargestellten Hydrophon wird die akustische Empfindlichkeit maximiert durch geeignete Wahl eines kompressiblen internen Materials 6 zwischen der "Achse" 5 und der Einkapselung 3; dies kann den Bedarf für Endkappen 7 wie gezeigt ergeben. Zwei Beispiele von Endkappen sind gezeigt, die sich dahingehend unterscheiden, daß die Enden der Einkapselung 3 entweder freigelegt oder bedeckt sein können. Diese verhindern, daß statischer Druck über die kompressible Schicht 6 auf die innere Oberfläche der Einkapselung 3 wirkt, die dem Effekt des statischen Drucks auf der äußeren Oberfläche der Spule entgegenwirken würde. Beispiele von hochkompressiblen Materialien sind Luft und Polyesterharz. Die Einkapselung 3 könnte beispielsweise hartes Gummi oder ein Polyäthylen geringer Dichte sein. In dem Beispiel von Figur 5 wären weniger Schichten von Fasern 2 erforderlich, um den gewünschten Effekt zu erzielen, als es der Fall wäre, wenn das kompressible Material nicht vorläge.
Figur 6 stellt ein Hydrophon dar, in dem die Trägheitsempfindlichkeit reduziert ist, indem gewährleistet ist, daß die Vorrichtung mechanisch vom Zentrum getrieben wird über das zentrale Teilstück 4. Die Endplatten 7 wirken als Kolben, die Druck zur eingekapselten Faser 2 übertragen, während das sekundäre Material 6 der Einkapselung gestattet, sich in die senkrechte Richtung in einem Umfang auszuweiten, der von ihren Eigenschaften abhängt. Das sekundäre Material 6 sollte ein Druck-Auslösematerial sein, d.h. es reflektiert Schallwellen in Wasser, wovon Beispiele Luft, Kork mit Gummi und Schaum sind. Das Einkapselungs-Material 3 könnte weiches Gummi oder eine weiche Epoxy-Zusammensetzung sein.
Schließlich könnte die Struktur eher von einem zentralen Flansch wie in GB-A-2 189 110 getrieben werden als von einem Endflansch, wie in den obigen Beispielen.
Es sollte festgehalten werden, daß die in den Figuren 1 - 6 dargestellten Anordnungen nicht notwendigerweise den einzigen praktischen Zugang repräsentieren. Variationen können innerhalb des Rahmens der beanspruchten Erfindung durch Fachleute in Betracht gezogen werden. Insbesondere in den Figuren 1-5 könnte die "Achse" eine Röhre mit offenen Enden umfassen, die gestattet, daß Kabel entlang der Achse des Aufbaus geführt werden. Auch sind verschiedene Beispiele von Einkapselung, sekundärem Material und starrem Formeinrichtungsmaterial angegeben worden, aber es ist zu erkennen, daß andere Materialien geeignet sein könnten.

Claims

1. Ein Hydrophon mit einer optischen Faser-Spule (2), die in einem kompressiblen Einkapselungs-Material (3) eingebettet ist, einer starren Formeinrichtung mit einem axialen Teil (5), das sich innerhalb der Spule (2) bezüglich dieser in eine axiale Richtung erstreckt, und Mitteln zum Befestigen der Formeinrichtung an Dehnungs-Bauteilen (1), durch welche bei Benutzung das Hydrophon getragen wird, wobei die Einkapselung (3) auf dem axialen Teil (5) der Formeinrichtung auf eine solche Weise befestigt ist, daß Trägheitskräfte, die auf entgegengesetzten Seiten der Spule (2) durch eine Beschleunigung der Formeinrichtung in eine Richtung senkrecht zum axialen Teil erzeugt werden, entgegengesetzte Effekte verursachen und dadurch die Trägheitsempfindlichkeit des Hydrophons reduzieren.

2. Ein Hydrophon wie in Anspruch 1 beansprucht, worin die Formeinrichtung weiter ein zentrales Teilstück (4) umfaßt, das im wesentlichen orthogonal zum axialen Abschnitt (5) orientiert ist und diesen trägt, und zwei Kappen (7) auf dem axialen Abschnitt zu beiden Seiten des zentralen Teilstücks (4) positioniert sind, wobei das zentrale Teilstück (4) die Spule (2) in eine longitudinale Richtung treibt, wodurch ein longitudinales Ausgleichen der Spule (2) geschaffen wird, um die Trägheitsempfindlichkeit zu reduzieren.

3. Ein Hydrophon wie in Anspruch 1 beansprucht, worin die starre Formeinrichtung spulenförmig ist und einen axialen Abschnitt (5) und Endteile (4) umfaßt, wobei die Endteile die Spule (2) in eine longitudinale Richtung treiben, wodurch ein longitudinales Ausgleichen der Spule (2) geschaffen wird, um eine Trägheitsempfindlichkeit zu reduzieren.

4. Ein Hydrophon wie in Anspruch 1 beansprucht, worin die Formeinrichtung Endteile (7) umfaßt, die vom axialen Abschnitt (5) entfernt sind und als Kolben wirken, welche Druck zum Einkapselungs-Material (3) übertragen.

5. Ein Hydrophon wie in Anspruch 4 beansprucht, worin ein sekundäres Material (6) mit einem geringeren räumlichen Elastizitätsmodul als das Einkapselungs-Material (3) Oberflächen des Einkapselungs-Materials (3) umgibt, welche nicht benachbart zu den Endteilen (7) liegen.

6. Ein Hydrophon wie in einem der Ansprüche 1 bis 3 beansprucht,

worin ein sekundäres Material (6) mit einem geringeren Kompressionsmodul als demjenigen des Einkapselungs-Materials (3) zwischen der Formeinrichtung und dem Einkapselungs-Material (3) positioniert ist.

7. Ein Hydrophon wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht,

worin die starre Formeinrichtung die Eigenschaften geringer Masse und Steifigkeit aufweist.

8. Ein Hydrophon wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht,

worin die starre Formeinrichtung aus einem Legierungs-Material geringer Masse besteht.

9. Ein Hydrophon wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht,

worin das Einkapselungs-Material (3) mit der starren Formeinrichtung verbunden ist.

10. Ein Hydrophon wie in Anspruch 5 oder 6 beansprucht, worin das Einkapselungs-Material (3) Gummi oder Epoxyharz und das sekundäre Material (6) ein Epoxyharz geringeren Kompressionsmoduls als die Einkapselung ist.

11. Ein Hydrophon wie in Anspruch 5 oder 6 beansprucht, worin das Einkapselungs-Material (3) Gummi oder ein Polyäthylen geringer Dichte und das sekundäre Material (6) Luft, Schaum, Kork, eine Luftzusammensetzung, Thermoplastik, Epoxyharz oder Polyesterharz ist.

12. Ein Hydrophon wie in Anspruch 5 oder 6 beansprucht, worin das Einkapselungs-Material (3) weiches Gummi oder weiches Epoxyharz und das sekundäre Material (6) Luft, Kork mit Gummi oder Schaum ist.