JPS62285027A - 光ハイドロホン - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ３、発明の詳細な説明 「産業上の利用分野」 この発明はコヒーレント光を光干渉系に導びき。

水中においてその光干渉系の光路の一部（二液検出音波
を作用させて光干渉系からの干渉光から水中の上記被検
出音波を検出する光ハイドロホンに関する。

「従来の技術」 第７図に従来のこの種の光フアイバハイドロポンの代表
例を示す（文献：　Ｊ、Ａ、Ｂｕｃａｒｏ、ｅｔ、ａｌ
、。

Ｆｉ　ｂｅｒ（）ｐ　ｔ　ｉ　ｃ　Ｈｙｄｒｏｐｈｏｎ
ｅ　、Ｊ、Ａｃｏｕｓ　ｔ　、　Ｓｏｃ　、Ａｍ、、　
６２　。

５．１３０２．１９７７）。レーザ光源などのコヒーレ
ント光源１１からのコヒーレント光は光ビームスプリッ
タ１２に入射され、光ビームスプリッタ１２（二より分
割された一方の光は信号路光ファイバ１３に入射される
。信号路光ファイバ１３の途中Ｃニセンシング光ファイ
バ１４が連結され、センシング光ファイバ１４は検出さ
れるべき音波の伝播音響媒体である水中１５内に配され
、音源１６よりの音波１７が音響媒体１５を伝播してセ
ンシング光ファイバ１４に達し、センシンク光ファイバ
１４の周りの水圧が音波１７（二より変化し、これにも
とすきセンシング光ファイバ１４の屈折率及び光ファイ
バ長が変化する。光ビームスプリッタ１２により分割さ
れた他方の光は参照光路１８を通じ゛て参照光として光
合成季１９に入射され、信号路光ファイバ１３の他端よ
りの光と干渉され、その干渉光は受光器２１により電気
信号（二変換され、その電気信号は表示器２２へ供給さ
れ、音波１７の強度が表示される。光ビームスプリッタ
１２乃至光合成器１９はいわゆるマツハフェンダ光干渉
系２３を構成している。

「発明が解決しようとする問題点」 第７図に示した従来の光ハイドロホンは次の欠点がある
。

（ａ）　　光ファイバ（ガラス又はプラスチック）及び
その被覆材料（プラスチック、ゴム、シリコン又はメタ
ル等）の音響インピーダンスは通常、水の音響インピー
ダンスより夫々大きく、而も互い（１異なるので測定し
ようとする超音波信号は反射、減衰し光ファイバの屈折
率、長さの変化への変換効率が悪い。

（ｂ）　　（ａ）の問題を補い測定感度を上げるため、
従来（二おいては光ファイバと超音波との作用長を長く
１通常数ｒｎ　Ｂ上とするが、光ファイバの曲げ制限上
少なくとも直径２０鵡以上にコイル状（ニセンシング光
ファイバ１４を構成する。従って１００ＫＨｚ（水中波
長１５語）以上の高周波音波に対しては、センシング光
ファイバ１４の各所（二面時刻に種々の位相の波面が到
来するのでセンシング光ファイバ１４の検出特性は急激
ｃ１劣化する。

第８図は上記（ｂ）を説明する図であって、直径りに巻
かれたセンシング光ファイバ１４と検出しようとする超
音波１７の波面２４（波長λ）との関係を示す。同図か
ら分るように λ〈Ｄ の高周波領域ではセンシング光ファイバ１４のコイル内
（ニー波長以上の音場が存在するので事実上測定は不可
能になる。このような理由から高周波領域の測定ではセ
ンシング光ファイバ１４の形状を工夫する必要がある。

最も単純にはセンシング光ファイバを直線状とし、これ
を超音波の到来方向に対して直交するように配置する構
成が考えられるが、複雑な音場測定には光ファイバと超
音波との作用長を長く取れないので測定感度が不足する
。また直線形状のセンシング光ファイバといえども光フ
ァイバの半径方向の弾性定数（二起因する周波数特性が
あり測定できる帯域に制限がある。

「問題点を解決するための手段」 この発明によれば光干渉系内の信号光路の一部は、光導
波路からの光を、検出しようとする音波が伝播する光学
的に透明な音響媒体（−放射し、そ゛の透過光又は反射
光を光導波路（−導びく音波検出部として構成される。

前記音響媒体は検出しようとする音波がもともと存在す
る液体媒体、つまり水中、海水などであるか、あるいは
この液体媒体とはゾ等しい音響インピーダンスをもち、
かつ光透明で均質な液体又は固体であり、液体の場合は
前記音響インピーダンスとはゾ等しいケーンング内に配
され、何れ（ニしても被検出音波が伝播して来る液体媒
体Ｃ１配され、その音波が前記固体又は液体内に伝播さ
れるようにする。

「実施例」 第１図はこの発明の実施例を示し、第７図と対　′応す
る部分には同一符号を付けである。この発明においては
信号光路１３の一部は音波検出部３１として構成され、
音波検出部３１はこの例では光導波路、つまり光ファイ
バ１３からの光が音響媒体１５へ放射され５その透過光
が光導波路（光ファイバ）に導びかれるよう（二構成さ
れる。

例えば第２図Ａに示すように信号光路の光ファイバ１３
は１３ａ、、１３ｂに切断され、これら光ファイバ１３
ａ、１３ｂの一端は保持部３２ａ。

３２ｂにそれぞれ保持され、保持部３２　ａ　、３２ｂ
（二はそれぞれロッドレンズ３３ａ、３３ｂが保持され
、ロッドレンズ３３ａ　、３３ｂの各一端面の焦点位置
にそれぞれ光ファイバ１３ａ、１３ｂの一端面が対接さ
れる。ロッドレンズ３３　ａ、３３ｂの他端面は互いに
対向されて保持部３２　ａ、３２ｂは連結具３４により
互いに保持されている。

従って光ファイバ１３ａよりの光はロッドレンズ３３ａ
ｌ二より平行光のセンシング光ビーム３５として音響媒
体（水中）１５へ放射され、音響媒体１′５を伝播して
ロッドレンズ３３ｂより光ファイバ１３ｂ（−導びかれ
る。

あるいは第２図Ｂ＋１示すように光ファイバ１３ａ。

１３ｂの各一端を球状レンズ３６ａ、３６ｂとし。

この球状レンズ３６ａ、３６ｂを互い（一対向させ、図
（二本してないが必要に応じて連結具で連結保持し、光
ファイバ１３ａよりの光を球状レンズ３６ａで平行光の
センシング光ビーム３５として音響媒体１５へ放射し、
その透過光を球状レンズ３６ｂを介して光ファイバｔ３
ｂ＋二導びくようにする。

連結具３４としてはその材料に音響媒体１５の音響イン
ピーダンスと整合のとれたものを用いて反射による音場
の乱れを防止することが望ましい。

第１図の構成（二おいて音源１６からの音波１７は音波
検出部３１中の切断された信号光路１３ａ。

１３ｂの間を通り、信号光路１３ａ、１３ｂ間の音響媒
体１５の屈折率が音波１７の音圧（１応じて変化し、従
って光合成器１９（二連する参照光と信号光とに光路が
生じ、音波１７の音圧（１応じた干渉光が得られ、この
干渉の程度が表示器２２に音圧として表示される。

この場合音波検出部３１における光の伝播方向を第３図
に示すよう（二音波１７の伝播方向に対しはゾ直角とさ
れる。こ＼でセンシング光ビーム３５の幅Ｗを超音波波
長λ（二対し λ〉Ｗ とする必要がある。ビーム幅Ｗは第２図Ａ、Ｈの構成な
どにより１００μ程度は容易に得られるので水中超音波
では１０　ＭＨｚ　（λ＝１５０μｍ）の測定も可能で
ある。

このような構成であるから、超音波（二より生じる媒体
１５の圧力変化をその屈折率変化から直接検出するこの
発明の光ハイドロホンは、従来の固いファイバコアがそ
の外周の保護被覆やファイバクラッド等を経てようやく
到達した圧力をうけて変形した結果生じるファイバコア
の屈折率変化を検出する方式とでは以下のような感度の
差がある。

こ＼では簡単のためにファイバは被覆なしの均一なロッ
ドとする。

（ａ）　　従来における超音波によるファイバ歪のため
に生ずる光路の位相変化 今、ファイバの定数を υ：ポアツソン比　（０，２） Ｅ：ヤング率　　　（７Ｘ１０１０（Ｐａ））ｎｆ：屈
折率　　　　（１，４６）　　　　とし、εｒ：ファイ
バ半径方向の歪 ｐ：ファイバ周囲の媒体に超音波（二より生ずる圧力（
Ｐａ） φ：ファイバ内光路の位相 Ｐｌ：光弾性定数（０，１２６） Ｐ２：ポッケルス定数＜　０．２７　）とすると、ファ
イバ長手方向の伸びを無視できる 高周波領域では △φ／φ＝−（ｐ１＋ｐｚ）εｒｘｎｌ／２ε、＝（ｌ
−υ）ｐ／Ｅ となり、従って △φ／φ＝４．２△、　ｘ　ｌｏ−”　２（１）となる
。

（ｂ）　　この発明（二おける超音波（：よる水の屈折
率変化のため生ずる光路の位相変化 ｐ：圧力（Ｐａ） ロＷ：屈折率　　　　（１，３３） ρ：密度 とすると、水の圧縮率（二ついて △ρ／ρ＝０．４５△ｐ×１０−９ 又、屈折率変化は △ｎｗ／　ｎｗ　：”△ρ／ρＸ（ｎｖｖ−１）Ｃ１番
＋２）／６ｎるで与えられるから △φ／φ＝１．２△１）ＸＩＯ”　　　　　　　（２）
となる。従って式（１）　、　（２）よりこの発明の構
成は検出部に直線状（二元ファイバを張った場合（１比
べて約３０倍の感度向上が達成できることが分る。従っ
て従来のマツハツエンダ−干渉系基本の光フアイバハイ
ドロホンでは、人間の可聴限界、又は圧電素子型ハイド
ロホンの感度限界である２×１Ｏ−５Ｐａの感度を得る
には例えば約１ｍの作用長が必要（参考文献：　Ｊ、Ａ
、Ｂｕｃａｒｏ、ｅｔ、ａｌ、、Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎ
ｔ　ｏｆＳｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ｏｆ　０ｐｔｉｃａ
ｌ　Ｆｉｂｅｒｓ　ｆｏｒＡｃｏｕｓｔｉｃＤｅｔｅｃ
ｔｉｏｎ、Ａｐｐｌ、Ｏｐｔ、１８．６　、ｐ　、９３
８．１９７９　）であったのに対し、この発明では約３
ｍで良く、その結果センサの小型化が計られる太きな利
点がある。

第４図はこの発明の第２の実施例を示し、光干渉系とし
てファプリーペロー干渉系を用いた例である。信号光路
１３の他端はファプリーペロー干渉系を構成する音波検
出部４１に接続される。第５図はファプリーペロー干渉
系を構成する音波検出部４１の具体例を示す。信号光路
１３である光ファイバの一端は保持部４２（二保持され
、保持部４２にはロッドレンズ４３が保持され、ロッド
レンズ４３の一端面の焦点（二元ファイバの端面が対接
される。ロッドレンズ４３の他端面から平行光のセンシ
ング光ビーム４４が音響媒体１５へ放射され、ロッドレ
ンズ４３と対応した反射鏡４５により反射された光は再
びロッドレンズ４３に入射されて光ファイバ１３に導び
かれる。保持部４２と反射鏡４５とが連結具４６（二よ
り保持される。

ロッドレンズ４３と反射鏡４５との間を往復するコヒー
レンスの高いセンシンク光ビーム４４Ｃ：より媒質中に
生じている屈折率変化を高感度に検出することができる
。このファプリーペロー干渉系の音波検出部４１よりの
干渉光は分岐部４７で分岐されて光検出器２１へ供給さ
れる。この場合は前記マツハツエンダ−干渉系基本のフ
ァイバハイドロホンと比べ、より高い光源のコヒーレン
スが必要ではあるが、音波検出部４１を更に小型（二構
成できる可能性がある。

上述において光ファイバ１３　ａ　、　１３　ｂ間１７
）−４＝ンシング光ビーム３５が伝播される部分、ある
いは光ファイバ１３と反射鏡４５との間のセンシンク光
ビーム４４が伝播される部分を被検出音波１７の伝播媒
体１５と独立した音響媒体としてもよい。

これを例えば第２図Ａｌ１示した形式の音波検出部に適
用例を第６図に示す。すなわち保持部３２ａ及び３２ｂ
にそれぞれ光ファイバ１３ａ、ロッドレンズ３３ａ及び
光ファイバ１３ｂ、ロッドレンズ３３ｂを保持させ、ロ
ッドレンズ３３　ａ、３３ｂを間隔をもって対向させた
状態でケーシング４８内（二保持する。ケーシング４８
内に音響媒体１５とはゾ等しい音響インピーダンスの液
体の音響媒体４９が充填される。

ケーシング４８の材料はその音響インピーダンスが周囲
音響媒体１５のそれとできるだけ近い必要があり、例え
ば周囲が海水の場合（１）ポリスチレン（２）有機ガラ
スのほか、軽量化のためには（３）エポキシ樹脂（二マ
イクロガラスバルンを混入しり材料を用いることもでき
る。液体の音響媒体４９としてはセンシング光ビーム３
５の波長に対し透明で均質な必要がある。このような構
成であるから検出しようとする音波はケーシング４８を
通じ音響媒体４９を１云播し、音響媒体４９の屈折率変
化により音波を検出できる。検出しようとする音波の１
云播媒体１５が不透明あるいは汚濁していてもこれに障
害されることなく音波１７を検出できる利点がある。音
響媒体４９としては固体のものを用いてもよい、この場
合その材料としては光透明なポリスチレン、有機ガラス
、エポキシ樹脂などを用いることができ、ケーシング４
８を省略することもできる。

「発明の効果」 以上説明したようにこの発明には以下のような極めて大
きな利点がある。

（ａ）　　１００　ＫＨｚ以上の高周波の水中超音波を
。

従来の光フアイバハイドロホン（二比べ３０倍以上の高
感度（又は１／３０以下の小型の構成で）検出でき、し
かも従来の光ハイドロホンと同様（二本中で用いるが電
気的絶縁性の問題がなく、かつ誘導雑音を発生せず、軽
量、小型、伝達路が可とう性、広帯域性等の利点はその
ま＼維持でき、る。

（ｂ）　　圧電素子型又はこれまでの光ファイバ形ハイ
ドロホンのよう（−音響インピーダンスの異なるセンシ
ング部分を音場に挿入して音場を乱すようなことがない
。伝播してくる音波に同等影響を与えることなくこれを
検出できるので、高精度の測定が可能である。

（Ｃ）従来の音場内に置いたセンシング光ファイバの屈
折率変化からの音場の複素振幅を捉らえる方法では、光
ファイバの半径方向の弾性に起因する共振のため測定帯
域に制限があった。これに対しこの発明では第２図、第
５図に示した音波検出部を用いれば音波が伝播してくる
媒質そのものの屈折率変化を直接光学的（二捉えるもの
であるから従来のような機械的原因による測定帯域制限
がない。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の実施例を示すブロック図。 第２図Ａ、Ｂはそれぞれその音波検出部３１の具体例を
示す因、第３図は第１図（二おける音波波面とセンンン
グ光ビームとの関係を示す図、第４因はこの発明の第２
実施例を示すブロック図、第５図はその音波検出部４１
の具体例を示す断面図。 第６図は第２図Ａと対応する音波検出部の他の例を示す
断面図、第７図は従来の光ハイドロホンを示すブロック
図、第８図はそのセンンング光ファイバと音波波面との
関係を示す図である。 特許出願人　　日本電信電話株式会社 代　　理　人　　　草　　野　　　　　卓２１７３　　
図 ｚ４ 唱≧Ｆシ皮シ皮口ｌコ 第４　図 ？Ｉ７５　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）コヒーレント光源からの光を導く光導波路が光干
   渉系に接続され、 その光干渉系内の信号光路の一部は、光導波路から光を
   、検出しようとする音波が伝播する光学的に透明な音響
   媒体に放射し、その透過光又は反射光を光導波路に導び
   く音波検出部として構成され、 上記光干渉系からの干渉光から上記検出しようとする音
   波を検出する光ハイドロホン。