NL1004731C2 - Hydrofoon met compensatie voor statische druk en werkwijze voor drukmeting. - Google Patents

Description

5

HYDROFOON MET COMPENSATIE VOOR STATISCHE DRUK EN WERKWIJZE VOOR DRUKMETING

Hydrofoons worden gebruikt bijv. voor het met behulp van akoestische metingen bepalen van scheepsbewe-gingen op of in zee en bijv. voor het meten van 10 reflecties van akoestische golven die teweeg worden gebracht door explosies voor seismische metingen.

Over de gehele wereld wordt gezocht naar een hydrofoon die een grote gevoeligheid heeft die weinig (of niet) wordt beïnvloed door de statische druk, dat wil 15 zeggen de diepte in het water waarin de metingen worden verricht.

Een hydrofoon waarbij gebruik wordt gemaakt van een optische vezel is bijv. bekend uit het Amerikaanse octrooischrift 5.247.490 en de Europese octrooiaanvrage 20 0 554 085.

In de praktijk wordt een glasvezel aangebracht aan een doornvormig of schijf vormig draagorgaan, waarbij drukvariaties worden gemeten door de vervorming van het draagorgaan ten opzichte van een referentie-sensorelement 25 dat geen mechanische deformatie ondergaat, en waarbij de lengteverandering wordt gemeten door middel van interferentie tussen door de vezels gestuurde lichtbundels.

Voor het compenseren van de statische druk is 3 0 het bijv. uit de Europese octrooiaanvrage 0 554 085 bekend een compensatiekamer op te nemen onder een flexibel schijfvormig membraan waarop de optische sensor is aangebracht, welke compensatiekamer dan via een opening van vooraf bepaalde afmetingen in open verbinding staat 35 met het vloeibare medium waarin gemeten wordt. De grootte van de opening bepaalt het dynamische gedrag van dergelijke sensoren.

2

Een dergelijke sensor vertoont een drastische afneming van de gevoeligheid ten opzichte van een sensor met een gesloten (luchtkamer). Vergroting van de afmetingen de sensor, bijv. met een factor 10 a 20, 5 teneinde deze afneming te beperken, stuit op praktische bezwaren bij gebruik. Voor het verkrijgen van voldoende resolutie (d.w.z. het aantal meetpunten) in een zo klein mogelijke afmetingen gewenst.

De onderhavige uitvinding beoogt de bekende 10 hydrofoons te verbeteren, en meer in het bijzonder een hydrofoon te verschaffen met compensatie voor statische druk met behoud van voldoende gevoeligheid.

De onderhavige uitvinding verschaft een inrichting voor het meten van drukgolven in een vloeibaar 15 medium, omvattende: - één of meer voor optische straling doorlaatbare sensorelementen; - één of meer draagorganen waaraan telkens een sensorelement is aangebracht en dat tenminste enigszins 20 buigbaar is; - een tenminste gedeeltelijk door een draag-orgaan omgeven compensatiekamer die is gevuld met een vloeibaar medium; - een tweede compensatiekamer die via een 25 tenminste gedeeltelijk flexibele wand werkzaam is gekoppeld met de eerste compensatiekamer, waarbij de tweede compensatiekamer met gas is gevuld; en - detectiemiddelen voor het detecteren van lengteveranderingen van het sensorelement.

30 Verdere voordelen, kenmerken en details van de onderhavige uitvinding zullen worden verduidelijkt aan de hand van de navolgende beschrijving, met verwijzing naar de bijgevoegde tekeningen, waarin tonen: fig. IA en 1B resp. aanzichten van twee bekende 35 draagorganen met optische sensorelementen; fig. 2 een aanzicht in doorsnede van een eerste voorkeursuitvoeringvorm van een inrichting volgens de onderhavige uitvinding; <·/, é OL ·. f 3 fig. 3 een aanzicht in doorsnede van een alternatieve uitvoeringsvorm van een inrichting volgens de onderhavige uitvinding; fig. 4 een schematisch aanzicht van een opstel-5 ling waarbij de in fig. 3 getoonde uitvoeringsvorm wordt gebruikt; fig. 5 A-F verdere voorkeursuitvoeringsvormen van inrichtingen volgens de onderhavige uitvinding; fig. 6 een schematisch aanzicht van een meetop-10 stelling waarbij aan de voorkeursuitvoeringsvormen volgens de onderhavige uitvinding is gemeten; fig. 7A-7I grafieken van resultaten van metingen aan de inrichting volgens fig. 3 van genormaliseerde gevoeligheid Sn als functie van de 15 frequentie f bij drukken van 0; 0,6; 1,2; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0 resp. 3,5 MPa (fig. 7A-7H) , waarbij fig. 71 de over de frequentie gemiddelde genormaliseerde gevoeligheid geeft als functie van de hydrostatische druk; en fig. 8A-8G grafieken van resultaten van 20 metingen aan de inrichting volgens fig. 5 van genormaliseerde gevoeligheid Sn als functie van de frequentie f bij drukken 0; 1; 2; 3; 3,5 resp. 4,0 MPa (fig. 8A-8F) , waarbij fig. 8G de over de frequentie gemiddelde genormaliseerde gevoeligheid als functie van 25 de hydrostatische druk aangeeft.

Alhoewel ook andere vormen, zoals een huls, denkbaar zijn, zijn de meest bekende lichamen waarop een optische vezel 10, 11 (fig. IA, 1B) is geïntegreerd of anderszins is aangebracht, een cylindrische staaf of 3 0 doorn 12 of een schijf 13. Bij het aan akoestische golven blootstellen van het lichaam met optische vezel daarop of daarin, verandert de lengte van de optische vezel, in een mate die ondermeer afhangt van het materiaal van het lichaam. Zoals hieronder nader zal worden uiteengezet, 3 5 kan deze lengteverandering worden gemeten met behulp van een laser en een interferometer.

Bij de eerste uitvoeringsvorm van een hydrofoon 2 0 (fig. 2) bevat deze een in hoofdzaak cylindrisch huis 4 21 waarop nabij de bovenzijde daarvan een schijf 22 is aangebracht, waarop een optische ve2el 23 is geïntegreerd of anderszins bevestigd. In het huis 21 is voorts een opening 24 aangebracht die een eerste compenstatiekamer 5 25 in verbinding stelt met de omgeving E die zich op een zekere diepte onder water bevindt. Tegenover de schijf 22 wordt de kamer 25 begrensd door een tweede schijf 26 die een ruimte 27 definieert waarin een gasvormig medium, bijv. lucht is aangebracht. Deze tweede compensatiekamer 10 maakt een hogere gevoeligheid mogelijk ook bij bepaalde waarden van de statische druk. Het dynamische gedrag wordt beïnvloed door de diameter van het gat 24, bijv. met een grootte van 0,1-5,5 mm.

Voor het materiaal van de schijf kan uit een 15 veelheid van materialen worden gekozen, zoals aluminium, PPO (polyfenyleenoxide)(Noryl), polymethylmetacrylaat (PMMA), polypropyleen en PVDF (polyvinylideenfluoride) alsmede polycarbonaat. In de onderhavige uitvinding is gekozen voor polycarbonaat van de handelsnaam LEXAN, 20 vanwege de goede beschikbaarheid en specificaties, in het bijzonder voor wat betreft de verhouding van de treksterkte T van het materiaal en de modulus van Young E daarvan.

In het in fig. 3 getoonde uitvoeringsbeeld, is 25 een eerste optische vezel 31 in spiraalvorm aan de bovenzijde van een schijf 32 aangebracht, terwijl een tweede spiraalvormige vezel 33 aan de onderzijde, d.w.z. aan de zijde van de met water gevulde compenstatiekamer (zie tevens fig. 2), aangebracht waardoor een door een 30 druk P teweeg gebrachte buiging van de schijf 32 in de in fig. 3 getoonde richting, een samentrekking van vezel 31 en een uitrekking van vezel 33 teweegbrengt. De gevoeligheid van de in fig. 3 (en fig. 4) getoonde sensor is derhalve bij benadering twee maal zo groot als die 35 volgens fig. 2).

Het lengteverschil kan worden gemeten met behulp van een interferometer, zoals die bijvoorbeeld voor de uitvoeringsvorm van fig. 4 schematisch is *004731 5 getoond, waarbij vanuit een laser 41 een laserstraal via een glasvezelbundelsplitser 48 in elk van de vezels 31 en 33 wordt gestuurd en in een detector 42 het verschil in weglengte van het laserlicht wordt gededuceerd. In fig. 4 5 is voorts een getoond huis 43 met een compensatieschijf 44, een luchtkamer 45, en een eerste compensatiekamer 46 die in verbinding staat met de omgeving via een gat 47.

In fig. 5A is een verdere uitvoeringsvorm van een inrichting volgens de onderhavige uitvinding getoond, 10 waarbij een eerste vezel 51 aan de bovenzijde van een eerste drager lichaam 52 is aangebracht, terwijl een tweede vezel 53 aan de bovenzijde van een schijf 54 is aangebracht. In een gemeenschappelijk huis, dat evenzeer uit twee aan elkaar bevestigde delen 55, 56 kan bestaan, 15 zijn voorts compensatieschijven 57, 58 aangebracht, die luchtkamers 59 resp. 60 bepalen. De in fig. 5A getoonde opstelling is minder gevoelig voor axiale versnellingen.

Bij de in fig. 5B getoonde uitvoeringsvorm is de optische vezel aangebracht bijv. aan een cylindrische 20 wand 71, terwijl de compensatiekamer 72 anderzijds wordt begrensd door een cylindrische wand 73, die een met lucht gevulde kamer 74 omgeeft. De kamer 72 staat indirect via een cylindrische wand 75 in contact met de hydrostatische druk.

25 In de uitvoeringsvorm volgens fig. 5C bevindt de optische vezel zich bijv. aan een cylindrische wand 85, terwijl compensatiekamer 86 anderzijds wordt begrensd door een cylindrische wand 87, waarachter zich de met gas gevulde compensatiekamer 88 bevindt.

3 0 In de in fig. 5D getoonde uitvoeringsvorm bevindt de optische vezel zich bijv. aan een schijf 91, terwijl een eerste compensatiekamer 92 eerst wordt begrensd door een cylindrische wand 93 die anderzijds een compensatiekamer 94 omgeeft.

3 5 In de uitvoeringsvorm volgens fig. 5E bevindt de optische vezel zich op een cylindrische wand 101, terwijl een in de figuur met gas gevulde compensatiekamer 103 enerzijds wordt afgesloten door een compensatieschijf * 0 Π A ->· o 1 ^ v 4 j 7 6 102, terwijl de afsluiting aan de onderzijde niet is getoond.

In de in fig. 5F getoonde uitvoeringsvorm tenslotte, is de optische vezel aangebracht op een schijf 5 105, terwijl een eerste compensatiekamer 106 wordt begrensd door een compensatieschrijf 107 en de ruimte 106 indirect via de flexibele cylindrische wand 108 met de hydrostatische buitendruk in verbinding staat.

Een model voor de schijven (waarop al dan niet 10 optische vezels zijn aangebracht), is beschreven door D.A. Brown et al. in "Fiber Optic Flexural Disk Microphone", Porceedings of SPIE, Vol. 985, pp. 172, 1988, en in "High-Sensitivity, Fiber Optic, Flexural Disk Hydrophone with Reduced Acceleration Response", Fiber and 15 Integrated Optics, Vol. 8, pp. 169, 1989.

Voor de genormaliseerde gevoeligheid geldt de volgende formule ί . 0.78— . 0.78 3(1·°)13,,) [α:--i-H-(c'--fr)] 20 “ i? SEt- 20-ΟΫ waarbij Sn ss de genormaliseerde gevoeligheid is, 0,78 een factor is vanwege het foto-elastisch effect van spanning ΔΙ in de vezel,— de relatieve lengteverandermg van de • P * 25 vezel onder invloed van de druk p is, σ de constante van Poisson is, E de modulus van Young is, a de straal van de schijf is, t de dikte is en b en c de binnenstraal resp. buitenstraal van de spiraalvormige gewonden vezel is, die de lengte van de vezel die aan drukvariaties onderhevig 30 is, bepaald.

Voor de resonantie frequentie fss kan worden afgeleid (_ fa - 0.229 -L I-£- « Ί P (1-σ=) 35 terwijl voor de druktolerantie Pd van de schijf kan worden afgeleid, p - _HL_ii ' 3(3-σ) · 7 waarbij p soortelijke massa van de schijf is Sn de genormaliseerde gevoeligheid en T de treksterkte van het materiaal is.

In bovenstaande formules is er vanuit gegaan 5 dat de mechanische eigenschappen van de schijf worden bepaald door het materiaal daarvan; er is geen rekening gehouden met de invloed van de daarop aangebrachte spiraalvormig gewonden glasvezel. Gemeten waarden kunnen derhalve in meer of mindere mate afwijken van 10 bovengenoemde theoretische waarden.

In bovenstaande formules is voorts uitgegaan van een niet aan zijn omtreksrand ingeklemde schijf. Indien de schijf aan zijn omtreksrand wordt ingeklemd,gelden de volgende formules: 15 5 i =» 0.78-^d= 0.78-1-^ [α2-£Ζ2^] 8 Ex2 2 1 ‘ * fd * 0.47 -U—E , 20 “ΊΡ Cl-«r) p 47f2 rd*i ~ —--^ .

j a- 25 waarbij relatieve de lengteverandering van de vezel is bij inklemming en bij druk p.

In de praktijk zal de schijf noch geheel vrij 30 zijn aan zijn rand noch geheel zijn ingeklemd.

Aan hydrofoons volgens de onderhavige uitvinding werd gemeten in een bassin 61 (fig. 6) waarin een schematisch aangeduide geluidsbron 62 werd aangebracht en zowel hydrofoons volgens de onderhavige 35 uitvinding als een referentiehydrofoon in een drukvat 63 werden geplaatst.

Met de in figuur 6 getoonde opstelling werden voor verschillende drukken de genormaliseerde gevoelig 8 heid gemeten. Voor de genormaliseerde gevoeligheid Sn geldt: s. - 0.78— ,

5 P

waarbij de factor 0,78 afkomstig is van het foto-elasti-sche effect van de spanning in de vezel, p de aangelegde druk is en e de rek (dat is relatieve lengteverandering) 10 in de optische vezel is. De eenheid van de genormaliseerde gevoeligheid is 1/Pa en wordt in het algemeen uitgedrukt als decibel ten opzichte van l/MPa (dB re l/MPa).

De absolute gevoeligheid Sa is gedefinieerd als 15 de verhouding van de f asever ander ing in de interferometer en de aangelegde druk. De eenheid van Sa is rad/Pa. De volgende relatie geldt tussen de absolute en relatieve gevoeligheid: Μ n 2r. L, 20 --- * β λ waarbij Μ — 1 geldt voor de MachZehnder interferometer en M * 2 voor een interferometer van de Michelson soort; 25 n de brekingsindex is van de optische vezel (in het algemeen ongeveer gelijk aan 1,5);

Ls de lengte van de vezel is die gevoelig is voor de aangelegde druk; λ de golflengte van de laserbron is die wordt gebruikt in het inter f er ometrische systeem.

3 0 In de figuren 7A - 7H zijn de meetresultaten weergegeven van de genormaliseerde gevoeligheid Sn voor de in figuur 3 en 4 getoonde opstelling met gebruikmaking van een Michelson interferometer. Voor de dikte t van de schijf 32 werd 1 mm gekozen en voor de dikte van de 35 schijf 44 3 mm. Voor een druk van 0 MPa werd uitgegaan van een diepte van 3 meter (werkelijke druk 0,03 MPa). Voor de schijf 32 gold voorts a is I5mm, b is 8mm en c is 'i\ :. -Vi s. ‘ 9 12101η, het materiaal was LEXAN. Het gat 47 had een diameter van 5,5mm.

In fig. 71 geeft de kromme c1 de verbinding aan van de diverse meetpunten van het gemiddelde van de 5 genormaliseerde gevoeligheid uit de figuren 7A-H. Door het vloeibare medium uit compensatiekamer te verwijderen en de opening naar de omgeving te sluiten, ontstond een sensor met afgesloten luchtkamer. De genormaliseerde gevoeligheid bij 0 MPa bleef hetzelfde, zoals weergegeven 10 in fig. 71 door een *. Bij een statische druk van 0,7 MPa, zoals aangegeven door gebroken lijn c2 in fig. 71, raakte de sensor onherstelbaar beschadigd.

In de figuren 8A - 8F zijn de meetresultaten afgebeeld van de genormaliseerde druk Sn voor de in figuur 15 5A getoonde voorkeursuitvoeringsvorm. Bij deze meting werd gebruik gemaakt van de MachZehnder interferometer.

De diameter van de opening 49 bedroeg 5,5mm en ook voor het overige waren de afmetingen van de schijf vormige dragers ongeveer gelijk aan bovengenoemde afmetingen.

20 Fig. 8G toont een grafiek van de diverse meetpunten van de figuren 8A-8F.

Uit bovengenoemde experimenten is gebleken dat het opnemen van een compensatiekamer die met lucht is gevuld, achter de met water gevulde compensatiekamer, de 25 nadelen van laatstgenoemde ondervangt, d.w.z. afneming van de genormaliseerde gevoeligheid t.a.v. een sensor met afgesloten luchtkamer of veel te grote afmetingen van de sensor.

De gevraagde rechten worden niet beperkt tot de 30 boven beschreven voorkeursuitvoeringsvorm; de gevraagde rechten worden bepaald door de navolgende conclusies, binnen de strekking waarvan velerlei modificaties denkbaar zijn.

Claims (11)

5

1. Inrichting voor het meten van drukgolven in een vloeibaar medium, omvattende: - één of meer voor optische straling doorlaatbare sensorelementen; 10 - één of meer draagorganen waaraan telkens een sensorelement is aangebracht en dat tenminste enigszins buigbaar is; - een tenminste gedeeltelijk door een draag-orgaan omgeven kamer die is gevuld met het vloeibaar 15 medium; en - een tweede compensatiekamer die via een tenminste gedeeltelijk flexibele wand werkzaam is gekoppeld met de eerste compensatiekamer, waarbij de tweede compensatiekamer met gas is gevuld; en 0. detectiemiddelen voor het detecteren van de lengteveranderingen van het sensorelement.

2. Inrichting volgens conclusie 1, voorzien van middelen voor het geheel of gedeeltelijk aan de omgevingsdruk aanpassen van de in de eerste 25 compensatiekamer overwegend heersende druk, waarbij de aanpassingsmiddelen bijv. een open kanaal met relatief geringe diameter of een meer of minder flexibele wand omvatten.

3. Inrichting volgens conclusie 1 of 2, waarbij 30 het sensorelement een optische vezel is en het draagorgaan een schijf is waarop de optische vezel in spiraalvorm is aangebracht.

4. Inrichting volgens conclusie l, 2 of 3, waarbij de eerste compensatiekamer in hoofdzaak 35 cilindervormig is en zich bevindt aan een andere zijde van de schijfvormige plaat waarop de optische vezel is aangebracht.

5. Inrichting.volgens conclusie l, 2, 3 of 4, waarbij de tweede compensatiekamer is aangebracht aan de onderzijde van de eerste compensatiekamer, in hoofdzaak cilindervormig is en werkzaam is gekoppeld met de eerste 5 compensatiekamer via een in hoofdzaak schijfvormige flexibele plaat.

6. Inrichting volgens één van de conclusies 1 - 5, waarbij een eerste sensorelement is aangebracht aan één zijde van een draagorgaan en een tweede sensorelement 10 is aangebracht aan de andere zijde van het draagorgaan.

7. Inrichting volgens één van de conclusies 1 - 6, waarbij een eerste sensorelement is aangebracht aan een zijde van het eerste draagorgaan en een tweede sensorelement is aangebracht aan een zijde van een tweede 15 draagorgaan.

8. Inrichting volgens één van de conclusies 1- 7, waarbij het draagorgaan in hoofdzaak cylindervormig is.

9. Inrichting volgens één van de conclusies 1 -20 8, waarbij de detectiemiddelen een interferometer omvatten.

10. Werkwijze voor het meten van drukgolven in een vloeibaar medium, waarbij een inrichting volgens één van de conclusies 1-9 wordt gebruikt.

11. Inrichting volgens conclusie 7, 8 of 9 waarbij het draagorgaan in hoofdzaak staafvormig is. -