WO2010136723A1 - Hydrophone a fibre a reseau de bragg avec amplificateur a membrane - Google Patents

Hydrophone a fibre a reseau de bragg avec amplificateur a membrane Download PDF

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WO2010136723A1
WO2010136723A1 PCT/FR2010/051016 FR2010051016W WO2010136723A1 WO 2010136723 A1 WO2010136723 A1 WO 2010136723A1 FR 2010051016 W FR2010051016 W FR 2010051016W WO 2010136723 A1 WO2010136723 A1 WO 2010136723A1
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optical fiber
bragg grating
deformable
fiber
fluid
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PCT/FR2010/051016
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English (en)
Inventor
Gilles Grosso
Frédéric MOSCA
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Ixsea
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H9/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means
    • G01H9/004—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by using radiation-sensitive means, e.g. optical means using fibre optic sensors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01V—GEOPHYSICS; GRAVITATIONAL MEASUREMENTS; DETECTING MASSES OR OBJECTS; TAGS
    • G01V1/00—Seismology; Seismic or acoustic prospecting or detecting
    • G01V1/16—Receiving elements for seismic signals; Arrangements or adaptations of receiving elements
    • G01V1/18—Receiving elements, e.g. seismometer, geophone or torque detectors, for localised single point measurements
    • G01V1/186—Hydrophones

Definitions

  • the invention relates to the field of sound pressure measurement, particularly in underwater environment.
  • Acoustic sensors such as hydrophones are conventionally used in an underwater environment to detect acoustic pressure variations that can be caused by seismic waves, the presence of marine mammals or vessels, for example.
  • They can be used statically and deployed on the seabed to perform acoustic monitoring, or towed by a ship or submarine.
  • acoustic sensors are based on the use of piezoelectric components whose deformation causes a pressure variation that can be measured electronically.
  • DFB FL distributed Feedback Fiber Laser
  • a Bragg grating whose properties are to emit very fine wavelengths sensitive to stress. mechanical applied to the optical fiber. The measurement of its variations in wavelengths emitted makes it possible to deduce the stress applied on the optical fiber and therefore the external pressure.
  • This type of acoustic sensor has advantages such as the absence of electronic components in the immersed part, making them more easily towable, and the possibility of multiplexing on the same fiber several sensors.
  • Optical fiber sensors comprise an optical fiber surrounded by an elastomeric resin cylinder so as to increase the stresses at the optical fiber by applying shear stresses to the optical fiber generated by the elastic cylinder.
  • WO 2006/034538 discloses an optical fiber attached to a flexible support. The latter makes it possible to amplify the acoustic signals.
  • acoustic sensors of the "toothpaste tube” type having an optical fiber provided with a Bragg grating surrounded by a deformable envelope filled with an incompressible fluid.
  • the laser fiber is secured to the ends of the deformable envelope.
  • the applicant therefore focused on the development of a Bragg grating fiber hydrophone having improved sensitivity compared to known hydrophones.
  • Such a device is provided according to the invention.
  • the invention relates to a Bragg grating fiber hydrophone comprising a fluid cavity, and an optical fiber in which a Bragg grating is integrated, said optical fiber passing through said fluid cavity so that said Bragg grating is positioned at the same time. inside of it.
  • said fluid cavity is filled with a compressible fluid and is delimited by a rigid envelope comprising two end faces integral with the optical fiber,
  • At least one of the two end faces of the rigid envelope comprises an opening closed by a deformable membrane integral with said optical fiber, said deformable membrane being able to be deformed by a difference in the pressures exerted on its faces, causing a variation the length of the optical fiber measured by a variation in wavelength of a light flux extracted from the optical fiber.
  • the invention thus provides a Bragg grating fiber hydrophone having improved sensitivity over known hydrophones, and making it possible to achieve gains greater than 1000.
  • the device of the invention can also be defined by the following characteristics which may be considered individually or in all their technically possible combinations and which each bring specific advantages:
  • the two end faces of the rigid envelope each comprise an opening closed by a deformable membrane integral with said optical fiber
  • said optical fiber is a prestressed optical fiber, the voltage of said optical fiber being maintained by holding means, said holding means being supported on each of the respective end faces of the rigid envelope, the holding means are disposed outside the fluid cavity, each holding means having a first end secured to the rigid casing and a second end through which the optical fiber is secured,
  • the Bragg grating fiber hydrophone comprises at least one hydrostatic filter cooperating with the fluid cavity, each hydrostatic filter being provided with an orifice adapted to allow fluid communication between the inside and the outside of the fluid cavity,
  • each hydrostatic filter is associated with one of the deformable membranes, each hydrostatic filter having a reservoir delimited by a deformable outer envelope and by one of the end faces of the rigid envelope, said reservoir being in fluid communication with the fluid cavity by means of intermediate said orifice through the deformable membrane, said deformable envelope being attached to the rigid envelope hermetically.
  • the hydrostatic filter makes it possible to compensate the hydrophone in pressure during static pressure variation (immersion) or temperature. During a slow variation of pressure or temperature, a flow is established between the fluid cavity and the reservoir, aiming at balancing the internal and external pressures. The very low frequencies are thus filtered. The size of the hydrostatic filter orifice determines the low cutoff frequency and therefore determines the low limit of the hydrophone usage band.
  • the hydrophone is usable in a wide acoustic frequency range, between 0.4 Hz and 10 kHz.
  • the hydrostatic filters can attenuate the effect of waves and waves.
  • the section of the deformable membranes is smaller than that of the deformable envelope of the hydrostatic filters
  • the elements constituting said hydrophone have a resonant frequency outside the frequency range between 0.4 Hz and 10 kHz,
  • the Bragg grating fiber hydrophone comprises an outer envelope, flexible and hermetic, surrounding the assembly formed by the rigid envelope and the hydrostatic filters, said outer envelope being filled with a fluid so as to transmit the variations of pressure outside the fluid cavity,
  • the compressible fluid of the fluid cavity has a compressibility modulus of less than 1.5 GPa, and preferably less than 0.5 GPA.
  • FIG. 1 represents a longitudinal section of a Bragg grating fiber hydrophone, according to one possible embodiment of the invention
  • FIG. 2 represents a longitudinal section of the hydrophone with holding means
  • FIG. 3 represents a perspective view of the hydrophone with the holding means
  • FIG. 4 represents the detail of the holding means
  • FIG. 5 shows a longitudinal section of the hydrophone with hydrostatic filters.
  • FIG. 1 represents the detail of a Bragg grating fiber hydrophone, according to a possible embodiment of the invention.
  • the Bragg grating fiber hydrophone comprises an optical fiber 2 and a fluid cavity 1 filled with a compressible fluid.
  • the fluid cavity 1 is delimited by a rigid envelope 4 comprising two end faces 28a, 28b, integral with the optical fiber 2, and opposite.
  • At least one of the two end faces 28a, 28b of the rigid envelope 4 comprises an opening 5a, 5b closed by a deformable membrane 6a, 6b integral with the optical fiber 2.
  • the two end faces 28a, 28b of the rigid casing 4 are formed by an opening 5a, 5b closed by a deformable membrane 6a, 6b secured to the optical fiber 2.
  • a Bragg grating 3 is integrated in the optical fiber 2, forming a laser cavity.
  • the Bragg grating 3 may be photo inscribed in the optical fiber 2.
  • the optical fiber 2 passes through the fluid cavity 1 along a main axis (X) so that the Bragg grating 3 is positioned inside the optical fiber. this.
  • the optical fiber 2 has a sensitivity of between 3 to 4.5 nm / MPa, a diameter of 125 microns, and a Young's modulus of between 50 GPa and 90 GPa, preferably equal to 70 GPa.
  • the two openings 5a, 5b are opposite and separated by the Bragg grating 3.
  • the deformable membranes 6a, 6b are traversed by the optical fiber 2, and are integral therewith.
  • the deformable membranes 6a, 6b can be fixed to the optical fiber 2 by welding or gluing, for example.
  • the weld can be a laser weld with or without a ferrule.
  • the bonding may be a polyamide coating or epoxy adhesive bonding.
  • the deformable membranes 6a, 6b are able to be deformed by a pressure difference exerted on its faces, causing a variation in the length of the optical fiber 2 measured by a wavelength variation of a light flux extracted from the fiber Optical 2. More precisely, it is the variation of the length of the laser cavity which is measured.
  • the optical pumping of the optical fiber 2 can be performed by a laser diode at 980 nm, for example.
  • the luminous flux extracted from the optical fiber 2 has a wavelength which is a function of the elongation or narrowing of the optical fiber 2.
  • the variations in wavelength are measured by a Mach Zehnder interferometer, for example.
  • the deformable membranes 6a, 6b deform and curl inwardly of the fluid cavity 1, resulting in a narrowing of the optical fiber 2 or laser cavity.
  • the external pressure Pe is exerted on the outer face 29 of the deformable membranes 6a, 6b, while the internal pressure Pi is exerted on the inner face 30 of the deformable membranes 6a, 6b.
  • the length of the hydrophone is lower than the measured acoustic wavelengths.
  • the pressure field is assumed to be homogeneous.
  • the deformable membranes 6a, 6b deform in opposite directions.
  • the deformable membranes 6a, 6b may be metal, or polymer, for example. They can be bronze or brass.
  • the deformable membranes 6a, 6b and the rigid envelope 4 delimit the fluid cavity 1 and form a sealed assembly.
  • the rigid casing 4 has a tubular shape.
  • the rigid casing 4 has the highest possible Young's modulus, greater than 100 GPa.
  • the rigid envelope 4 must be the least deformable possible.
  • the rigid casing 4 may be made of titanium, for example, with a Young's modulus of 120 GPa.
  • the openings 5a, 5b of the rigid envelope 4 and the deformable membranes 6a, 6b have a circular shape.
  • the compressible fluid of the fluid cavity 1 has a compressibility modulus less than 1.5 GPa.
  • the compressible fluid may be based on fluorocarbon, such as perfluorohexane (C 6 F 14 ) which has a compressibility modulus of 1 GPa.
  • fluorocarbon such as perfluorohexane (C 6 F 14 ) which has a compressibility modulus of 1 GPa.
  • the fluid used is inert fluorine supplied by the company 3M.
  • the deformable membranes 6a, 6b are integral with an annular piece 21 so as to form a socket.
  • This sleeve is inserted into one of the openings 5a, 5b of the rigid casing 4 so as to seal it hermetically.
  • An O-ring 17 may be provided between the annular piece 21 and the wall of the rigid casing 4 delimiting one of the openings 5a, 5b, to ensure sealing.
  • a locking nut 16 locks the sleeve longitudinally against a portion of the rigid casing 4 forming a stop.
  • the optical fiber 2 is threaded into them so as to pass through the rigid envelope 4 along the main axis (X).
  • the main axis (X) is a central longitudinal axis.
  • the optical fiber 2 passes through the center of the deformable membranes 6a, 6b.
  • the principle of operation of the Bragg grating or laser fiber hydrophone is based on the elongation of a laser cavity (Bragg grating 3).
  • the geometry of the Bragg grating 3 and the index of the medium determine the resonant frequency of the laser cavity, and therefore its wavelength.
  • the radial pressure exerted on the laser cavity modifies the geometry and induces stresses in the silica of the fiber.
  • the elongation and the level of stress in the laser cavity respectively modify the geometry and the index of the medium. These modifications induce a variation of the resonant frequency, therefore of the wavelength of the laser.
  • the fiber optic hydrophone uses this property to detect acoustic waves.
  • the sensitivity of the hydrophone is characterized by the ratio - where ⁇ x is
  • the deformable membranes 6a, 6b, the compressible fluid and the rigid envelope 4 form a mechanical amplifier for increasing this sensitivity to the external pressure P ⁇ .
  • This amplifier makes it possible to amplify the axial deformations while the radial deformations remain very weak.
  • a low frequency acoustic wave causes a local variation of the pressure around the hydrophone.
  • the external pressure (Pe) thus becomes different from the pressure (Pi) prevailing within the fluid cavity 1.
  • the fluid cavity 1 via its compressibility tends to balance its pressure with the external pressure by a variation of its volume:
  • V the fluid cavity volume 1 and dV, the volume variation of the cavity.
  • the geometry of the hydrophone forces the optical fiber 2 to deform axially.
  • k ax and k rad the axial and radial stiffness of the system, S 1 - the inner radial surface of the rigid envelope 4 and P the incident pressure.
  • k rad is mainly dependent on the type of material of the rigid envelope 4.
  • k ax depends both on the properties and dimensions of the membrane 6a, 6b as well as the stiffness of the fluid cavity 1.
  • Such a system axially directs the deformations by: k ax "k rad .
  • V the volume of the fluid cavity 1 and S the section of the membrane 6a, 6b.
  • the gain can also be expressed as the ratio between the axial deformation of the optical fiber due to the mechanical amplifier, and the axial deformation of this fiber due to the pressure on the latter.
  • the rigid casing 4 may have a length of 250 mm, with an internal diameter of 30 mm and outer diameter of 35 mm.
  • the distance between the two deformable membranes 6a, 6b may be 70 mm, their thickness of 0.1 mm, and their diameter of 22 mm.
  • the optical fiber may have a diameter of 125 ⁇ m, and the Bragg grating 3 may extend over a length of 50 mm.
  • the fluid compressibility module compressible can be 1 GPa. These parameters allow to reach a gain of 1700.
  • the two deformable membranes 6a, 6b have the lowest possible Young's modulus, less than 100 GPa.
  • the hydrophone according to the invention makes it possible to achieve gains greater than 1000.
  • the optical fiber 2 is a prestressed optical fiber. As illustrated in FIGS. 2 to 4, the voltage of the optical fiber 2 is maintained by holding means 7a, 7b disposed on either side of the fluid cavity 1, and fixed on each of the end faces 28a, 28b of the rigid envelope 4.
  • Each holding means 7a, 7b are arranged in front of each of the openings 5a, 5b of the rigid envelope 4, and outside the fluid cavity 1.
  • Each holding means 7a, 7b has a first end 8 integral with the rigid envelope 4 and a second end 9 crossed by the optical fiber 2 and secured thereto.
  • the holding means 7a, 7b bear against the end edges of the rigid casing 4. They comprise three tabs 18 each having a first end attached to an end edge of the rigid casing 4 and a second end fixed to a support with three branches 19 terminated by a retaining ring provided with an orifice 20 at its center. This orifice 20 is provided for the passage of the optical fiber 2 and its fixing.
  • the optical fiber 2 is threaded into the orifice 15 provided in the deformable membrane 6a, 6b so that the Bragg grating 3 is placed in the center of the fluid cavity 1.
  • optical fiber 2 is then attached to the second end 9 of one of the holding means 7a, 7b by welding or gluing.
  • a calibrated preload is applied by pulling on the optical fiber 2.
  • optical fiber 2 being stretched, it is welded or glued to the second end 9 of another holding means 7a, 7b.
  • the optical fiber 2 is fixed on the two deformable membranes 6a, 6b by gluing or laser welding.
  • optical fiber 2 is then cut, then coupled on both sides with sheathed optical fiber.
  • the holding means 7a, 7b prevent the optical fiber 2 to fold on itself at a high acoustic pressure.
  • the precontrol applied on the optical fiber 2 is calculated to be greater than the maximum deformations that the device may undergo. Thus the optical fiber 2 will always be stretched during the operation of the hydrophone.
  • This arrangement makes it possible to reduce as much as possible the stiffness of the mechanical amplification system.
  • the amplification and pre-stressing functions are dissociated.
  • the Bragg grating fiber hydrophone comprises at least one hydrostatic filter 10a, 10b associated with a respective deformable membrane 6a, 6b of the rigid envelope 4.
  • Each hydrostatic filter 10a, 10b has a reservoir 1 1 a, 1 1 b delimited by a deformable outer envelope 12a, 12b and by one of the deformable membranes 6a, 6b of the mechanical amplifier.
  • the reservoir 11a, 11b is in fluid communication with the fluid cavity 1 through an orifice 13a, 13b passing through each deformable membrane 6a, 6b.
  • the deformable casing 12a, 12b is fixed to the rigid casing 4 hermetically, and covers the holding means 7a, 7b associated with the deformable membrane 6a, 6b.
  • the Bragg grating fiber hydrophone comprises two hydrostatic filters 10a, 10b positioned on either side of the rigid envelope 4.
  • the deformable outer shell 12a, 12b of the hydrostatic filter 10a, 10b has a cap shape and may be made of polymer, for example.
  • the tanks 1 1 a, 1 1 b and the fluid cavity 1 are filled with the compressible fluid.
  • Each deformable outer casing 12a, 12b transmits the pressure variations to a respective deformable membrane 6a, 6b via the compressible fluid.
  • the orifices 13a, 13b of the hydrostatic filters 10a, 10b have a diameter of between 100 ⁇ m and 20 ⁇ m, preferably equal to 50 ⁇ m.
  • the hydrostatic filters 10a, 10b make it possible to put the internal fluid under hydrostatic pressure after a slow variation of pressure following a change of temperature or immersion. Thus it is possible to overcome the hydrostatic pressure and to take into account only the pressure variations around this pressure. It should be noted that these hydrostatic filters represent a limit for the detection of very low frequencies. Indeed, the reaction time of the hydrostatic filter will determine the lowest frequency measurable by the hydrophone. Hydrostatic filters are high-pass filters. Thus if the frequency of the acoustic wave is lower than the cutoff frequency of the hydrostatic filter, it will have no effect on this acoustic wave.
  • the very low frequencies are filtered by this method.
  • the hole size of the hydrostatic filters determines the low cutoff frequency and therefore determines the low limit of the hydrophone usage band. The smaller the diameter of the orifice 13a, 13b, the lower the cutoff frequency.
  • the cutoff frequency is less than 10 Hz, preferably equal to 0.4 Hz.
  • the hydrophone makes it possible to detect acoustic waves in the frequency band between 0.4 Hz and 10 kHz.
  • the elements constituting the hydrophone such as the deformable membranes 6a, 6b, the rigid envelope 4 and the optical fiber 2, have a resonant frequency outside the frequency range from 0.4 Hz to 10 kHz.
  • the section of the deformable membranes 6a, 6b is smaller than that of the deformable envelope 12a, 12b of the hydrostatic filters 10a, 10b.
  • the diameter of the deformable membranes 6a, 6b is smaller than the internal diameter of the rigid envelope 4, considered outside the ends of the rigid envelope 4.
  • the orifices 13a, 13b of the hydrostatic filters 10a, 10b allow pressure balancing between the inside of the rigid casing 4 and the inside of the tanks 1 1a, 1 1b hydrostatic filters 10a, 10b, and a compensation in temperature, making the hydrophone insensitive to slow changes in pressure and temperature when immersing the hydrophone at varying depths.
  • the hydrostatic filters 10a, 10b make it possible to attenuate the effect of the waves and the waves.
  • the deformable outer casings 12a, 12b of the hydrostatic filter 10a, 10b are sealingly attached to the rigid casing 4 by clamping rings (not shown).
  • the Bragg grating fiber hydrophone comprises support cages fixed on either side of the rigid casing 4, at its ends (not shown). These support cages have a tubular shape and have three lateral openings. These support cages comprise an end connected to one end of the rigid casing 4 and another end closed by a plug provided with a central orifice forming a passage for the optical fiber or fibers 2 (not shown). This cap can be in ertalyte for example.
  • Grooves may be provided on the outer surface of the rigid envelope 4 to receive external optical fibers that can be connected to other sound pressure sensors, for example.
  • a cap (not shown) of elastomer may be provided at the outlet of the central orifice of the cap to protect the optical fiber or fibers.
  • the Bragg grating fiber hydrophone may comprise a flexible and hermetic external envelope (not shown), surrounding the assembly formed by the rigid envelope 4, the hydrostatic filters 10a, 10b and the support cages.
  • the outer casing is cylindrical and filled with a fluid so as to transmit external pressure variations to the fluid cavity 1.
  • This fluid can be castor for example.
  • the outer shell may be of polymer, for example Hypalon®.
  • the invention provides a hydrophone which achieves significant gains, greater than 1000, and therefore acoustic sensitivities higher than those reached by known hydrophones.
  • the fact that the membranes are deformable in the same direction makes the hydrophone insensitive to accelerometric noise when towed by a ship or a submarine.

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Abstract

L'invention concerne un hydrophone à fibre à réseau de Bragg comprenant une cavité fluide (1), et une fibre optique (2) dans laquelle est intégrée un réseau de Bragg (3), la fibre optique (2) traversant la cavité fluide (1) de manière à ce que le réseau de Bragg (3) soit positionné à l'intérieur de celle-ci. Selon l'invention, la cavité fluide (1) est remplie d'un fluide compressible et est délimitée par une enveloppe rigide (4) comportant deux faces d'extrémité (28a, 28b) solidaires de la fibre optique (2). Au moins une des deux faces d'extrémité (28a, 28b) de l'enveloppe rigide (4) comprend une ouverture (5a, 5b) fermée par une membrane déformable (6a, 6b) solidaire de ladite fibre optique (2), ladite membrane déformable (6a, 6b) étant apte à être déformée par une différence des pressions exercées sur ses faces, entraînant une variation de la longueur de la fibre optique (2) mesurée par une variation de longueur d'onde d'un flux lumineux extrait de la fibre optique (2).

Description

HYDROPHONE A FIBRE A RESEAU DE BRAGG AVEC AMPLIFICATEUR A MEMBRANE
L'invention se rapporte au domaine de la mesure de pression acoustique, notamment en milieu sous-marin.
Les capteurs acoustiques tels les hydrophones sont classiquement utilisés en milieu sous-marin pour détecter des variations de pression acoustique qui peuvent être provoquées par des ondes sismiques, la présence de mammifères marins ou de navires, par exemple.
Ils peuvent être utilisés en statique et déployé sur le fond sous-marin pour réaliser une surveillance acoustique, ou être tractés par un navire ou un sous-marin.
La majorité des capteurs acoustiques connus est basée sur l'utilisation de composants piézoélectriques dont la déformation entraîne une variation de pression qui peut être mesurée électroniquement.
Cependant, ces capteurs nécessitent une installation locale, les rendant difficilement utilisables pour les applications remorquées, comme capteur sismique par exemple. De plus, les composants piézoélectriques sont sensibles aux perturbations électromagnétiques.
Pour remédier à ces inconvénients, il existe des hydrophones à fibre optique de type DFB FL (« Distributed Feedback Fibre Laser ») comprenant un réseau de Bragg, et qui ont pour propriétés d'émettre des longueurs d'onde très fines sensibles à la contrainte mécanique appliquée sur la fibre optique. La mesure de ses variations de longueurs d'onde émises permet de déduire la contrainte appliquée sur la fibre optique et donc la pression externe.
Ce type de capteur acoustique présente des avantages tels que l'absence de composants électroniques dans la partie immergée, les rendant plus facilement remorquables, et la possibilité de multiplexer sur une même fibre plusieurs capteurs.
Cependant, ces capteurs à fibre optique présentent une sensibilité insuffisante pour la détection des faibles variations de pression.
Pour amplifier ces faibles variations de pression, il est connu d'amplifier mécaniquement la contrainte mécanique appliquée sur la fibre optique.
Des capteurs à fibre optique comprennent une fibre optique entourée d'un cylindre de résine élastomère de façon à augmenter les contraintes au niveau de la fibre optique par applications de contraintes de cisaillement sur la fibre optique générée par le cylindre élastique.
Cependant, cette technologie ne permet pas d'atteindre les sensibilités requises pour la détection de petites variations de pression acoustique. De plus, le réseau de Bragg étant encapsulé par la résine, son fonctionnement est modifié et sa fréquence laser diminue. Le document WO 2006/034538 divulgue une fibre optique fixée à un support flexible. Ce dernier permet d'amplifier les signaux acoustiques.
Il existe également des capteurs acoustiques du type "tube de dentifrice" ayant une fibre optique munie d'un réseau de Bragg entouré par une enveloppe déformable remplie d'un fluide incompressible. La fibre laser est solidaire des extrémités de l'enveloppe déformable.
L'inconvénient de ces solutions de l'art antérieur est qu'elles fournissent des sensibilités à la pression extérieure trop faibles.
Le demandeur s'est donc attaché à la mise au point d'un hydrophone à fibre à réseau de Bragg ayant une sensibilité améliorée par rapport aux hydrophones connus.
Un tel dispositif est fourni selon l'invention.
L'invention concerne un hydrophone à fibre à réseau de Bragg comprenant une cavité fluide, et une fibre optique dans laquelle est intégrée un réseau de Bragg, ladite fibre optique traversant ladite cavité fluide de manière à ce que ledit réseau de Bragg soit positionné à l'intérieur de celle-ci.
Selon l'invention :
- ladite cavité fluide est remplie d'un fluide compressible et est délimitée par une enveloppe rigide comportant deux faces d'extrémités solidaires de la fibre optique,
- au moins une des deux faces d'extrémités de l'enveloppe rigide comprend une ouverture fermée par une membrane déformable solidaire de ladite fibre optique, ladite membrane déformable étant apte à être déformée par une différence des pressions exercées sur ses faces, entraînant une variation de la longueur de la fibre optique mesurée par une variation de longueur d'onde d'un flux lumineux extrait de la fibre optique.
L'invention fournit ainsi un hydrophone à fibre à réseau de Bragg ayant une sensibilité améliorée par rapport aux hydrophones connus, et permettant d'atteindre des gains supérieurs à 1000.
Dans différents modes de réalisation possibles, le dispositif de l'invention peut être défini également par les caractéristiques suivantes qui pourront être considérées isolément ou selon toutes leurs combinaisons techniquement possibles et qui apportent chacune des avantages spécifiques :
- les deux faces d'extrémités de l'enveloppe rigide comprennent chacune une ouverture fermée par une membrane déformable solidaire de ladite fibre optique,
- ladite fibre optique est une fibre optique précontrainte, la tension de ladite fibre optique étant maintenue par des moyens de maintien, lesdits moyens de maintien étant en appui sur chacune des faces d'extrémités respectives de l'enveloppe rigide, - les moyens de maintien sont disposés à l'extérieur de la cavité fluide, chaque moyen de maintien ayant une première extrémité solidaire de l'enveloppe rigide et une deuxième extrémité traversée par la fibre optique et solidaire de celle-ci,
- l'hydrophone à fibre à réseau de Bragg comprend au moins un filtre hydrostatique coopérant avec la cavité fluide, chaque filtre hydrostatique étant muni d'un orifice apte à permettre une communication fluidique entre l'intérieur et l'extérieur de la cavité fluide,
- chaque filtre hydrostatique est associé à une des membranes déformables, chaque filtre hydrostatique présentant un réservoir délimité par une enveloppe externe déformable et par une des faces d'extrémité de l'enveloppe rigide, ledit réservoir étant en communication fluidique avec la cavité fluide par l'intermédiaire dudit orifice traversant la membrane déformable, ladite enveloppe déformable étant fixée à l'enveloppe rigide de façon hermétique.
Le filtre hydrostatique permet de compenser l'hydrophone en pression lors de variation de pression statique (immersion) ou de température. Lors d'une variation lente de pression ou de température, un écoulement s'établit entre la cavité fluide et le réservoir, visant à équilibrer les pressions intérieure et extérieure. Les très basses fréquences sont ainsi filtrées. La dimension de l'orifice du filtre hydrostatique détermine la fréquence de coupure basse et donc détermine la limite basse de la bande d'utilisation de l'hydrophone.
L'hydrophone est utilisable dans une gamme de fréquence acoustique large, entre 0,4 Hz et 10 kHz.
Lorsque l'hydrophone est immergé en milieu sous marin, et utilisé en statique, les filtres hydrostatiques permettent d'atténuer l'effet des vagues et de la houle.
- la section des membranes déformables est inférieure à celle de l'enveloppe déformable des filtres hydrostatiques,
- les éléments constituant ledit hydrophone présentent une fréquence de résonance en dehors de la gamme de fréquence comprise entre 0,4 Hz et 10 kHz,
- l'hydrophone à fibre à réseau de Bragg comprend une enveloppe externe, souple et hermétique, entourant l'ensemble formé par l'enveloppe rigide et les filtres hydrostatiques, ladite enveloppe externe étant remplie d'un fluide de façon à transmettre les variations de pression extérieures à la cavité fluide,
- le fluide compressible de la cavité fluide présente un module de compressibilité inférieur à 1 ,5 GPa, et de préférence inférieur à 0,5 GPA.
L'invention sera décrite plus en détail en référence aux dessins annexés dans lesquels :
- la figure 1 représente une coupe longitudinale d'un hydrophone à fibre à réseau de Bragg, selon un mode de réalisation possible de l'invention, - la figure 2 représente une coupe longitudinale de l'hydrophone avec des moyens de maintien,
- la figure 3 représente une vue en perspective de l'hydrophone avec les moyens de maintien,
- la figure 4 représente le détail des moyens de maintien,
- la figure 5 représente une coupe longitudinale de l'hydrophone avec des filtres hydrostatiques.
La figure 1 représente le détail d'un hydrophone à fibre à réseau de Bragg, selon un mode de réalisation possible de l'invention.
L'hydrophone à fibre à réseau de Bragg comprend une fibre optique 2 et une cavité fluide 1 remplie d'un fluide compressible. La cavité fluide 1 est délimitée par une enveloppe rigide 4 comprenant deux faces d'extrémité 28a, 28b, solidaires de la fibre optique 2, et opposées.
Au moins une des deux faces d'extrémité 28a, 28b de l'enveloppe rigide 4 comprend une ouverture 5a, 5b fermée par une membrane déformable 6a, 6b solidaire de la fibre optique 2.
Dans l'exemple de la figure 1 et les autres qui suivent, les deux faces d'extrémité 28a, 28b de l'enveloppe rigide 4 sont formées par une ouverture 5a, 5b fermée par une membrane déformable 6a, 6b solidaire de la fibre optique 2.
Un réseau de Bragg 3 est intégré dans la fibre optique 2, formant une cavité laser. Le réseau de Bragg 3 peut être photo inscrit dans la fibre optique 2. La fibre optique 2 traverse la cavité fluide 1 selon un axe principal (X) de manière à ce que le réseau de Bragg 3 soit positionné à l'intérieur de celle-ci.
Dans cet exemple, la fibre optique 2 présente une sensibilité comprise entre 3 à 4,5 nm / MPa, un diamètre de 125 μm, et un module d'Young compris entre 50 GPa et 90 GPa, de préférence égal à 70 GPa.
Les deux ouvertures 5a, 5b sont opposées, et séparées par le réseau de Bragg 3.
Les membranes déformables 6a, 6b sont traversées par la fibre optique 2, et sont solidaires de celle-ci.
Les membranes déformables 6a, 6b peuvent être fixées à la fibre optique 2 par soudure ou collage, par exemple. La soudure peut être une soudure laser avec ou sans férule. Le collage peut être un collage par coating polyamide ou par colle Epoxy.
Les membranes déformables 6a, 6b sont aptes à être déformées par une différence de pressions exercées sur ses faces, entraînant une variation de la longueur de la fibre optique 2 mesurée par une variation de longueur d'onde d'un flux lumineux extrait de la fibre optique 2. Plus précisément, c'est la variation de la longueur de la cavité laser qui est mesurée.
La relation entre les variations de longueurs d'onde et de pression s'exprime de la manière suivante : Aλ = SoptGmecaAP
Avec ΔP, la pression appliquée sur la structure, Sopt, la sensibilité du réseau de Bragg "nu" et Gmeca, le gain mécanique recherché.
Le pompage optique de la fibre optique 2 peut être effectué par une diode laser à 980 nm, par exemple. Le flux lumineux extrait de la fibre optique 2 présente une longueur d'onde qui est fonction de l'allongement ou du rétrécissement de la fibre optique 2. Les variations de longueur d'onde sont mesurées par un interféromètre de Mach Zehnder, par exemple.
Lorsque la pression extérieure Pe, c'est-à-dire à l'extérieur de la cavité fluide 1 varie, les membranes déformables 6a, 6b se déforment et l'enveloppe rigide 4 ne se déforme pas ou quasiment pas.
Lorsque la pression extérieure Pe est supérieure à la pression intérieure Pi, les membranes déformables 6a, 6b se déforment et s'incurvent vers l'intérieur de la cavité fluide 1 , entraînant un rétrécissement de la fibre optique 2 ou cavité laser.
La pression extérieure Pe est exercée sur la face externe 29 des membranes déformables 6a, 6b, tandis que la pression intérieure Pi est exercée sur la face interne 30 des membranes déformables 6a, 6b.
Et vice-versa, lorsque la pression extérieure Pe est inférieure à la pression intérieure Pi, les membranes déformables 6a, 6b se déforment et s'incurvent vers l'extérieur de la cavité fluide 1 , entraînant un allongement de la fibre optique 2.
La longueur de l'hydrophone est inférieure aux longueurs d'onde acoustiques mesurées. Le champ de pression est supposé homogène.
Par conséquent, en statique, les membranes déformables 6a, 6b se déforment en sens opposé.
Les membranes déformables 6a, 6b peuvent être en métal, ou en polymère, par exemple. Elles peuvent être en bronze ou en laiton.
Les membranes déformables 6a, 6b et l'enveloppe rigide 4 délimitent la cavité fluide 1 et forment un ensemble étanche.
Dans l'exemple des figures 1 à 5, l'enveloppe rigide 4 présente une forme tubulaire. L'enveloppe rigide 4 présente un module d'Young le plus élevé possible, supérieur à 100 GPa.
L'enveloppe rigide 4 doit être la moins déformable possible. L'enveloppe rigide 4 peut être en titane, par exemple, avec un module d'Young de 120 GPa. Les ouvertures 5a, 5b de l'enveloppe rigide 4 et les membranes déformables 6a, 6b ont une forme circulaire.
Le fluide compressible de la cavité fluide 1 présente un module de compressibilité inférieur e 1 ,5 GPa.
Le fluide compressible peut être à base de fluorocarbone, comme par exemple de perfluorohexane (C6F14) qui a un module de compressibilité de 1 GPa. Dans l'exemple des figures 1 à 5, le fluide utilisé est du fluor inerte fourni par la société 3M.
Dans un exemple de montage possible illustré sur la figure 3, les membranes déformables 6a, 6b sont solidaires d'une pièce annulaire 21 de façon à former une douille.
Cette douille est insérée dans une des ouvertures 5a, 5b de l'enveloppe rigide 4 de façon à l'obstruer hermétiquement. Un joint torique 17 peut être prévu entre la pièce annulaire 21 et la paroi de l'enveloppe rigide 4 délimitant une des ouvertures 5a, 5b, pour assurer l'étanchéité. Un écrou de blocage 16 vient bloquer la douille longitudinalement contre une partie de l'enveloppe rigide 4 formant butée.
Une fois les deux membranes déformables 6a, 6b assemblées, la fibre optique 2 est enfilée dans ces dernières de façon à traverser l'enveloppe rigide 4 suivant l'axe principal (X).
Dans cet exemple où l'enveloppe rigide 4 est en forme de tube, l'axe principal (X) est un axe longitudinal central. La fibre optique 2 passe par le centre des membranes déformables 6a, 6b.
Le principe de fonctionnement de l'hydrophone à fibre à réseau de Bragg ou laser est basé sur l'allongement d'une cavité laser (réseau de Bragg 3).
La géométrie du réseau de Bragg 3 et l'indice du milieu déterminent la fréquence de résonance de la cavité laser, donc sa longueur d'onde. La pression radiale exercée sur la cavité laser en modifie la géométrie et induit des contraintes dans la silice de la fibre. L'allongement et le niveau de contrainte dans la cavité laser modifient respectivement la géométrie et l'indice du milieu. Ces modifications induisent une variation de la fréquence de résonance, donc de la longueur d'onde du laser. L'hydrophone à fibre optique utilise cette propriété pour détecter les ondes acoustiques.
£
La sensibilité de l'hydrophone est caractérise par le rapport — où εx est
' e l'allongement axial de la fibre optique (cavité laser) et Pθ la pression extérieure. Dans le
£ y cas de la fibre seule, la sensibilité théorique est — - = 2— = 4.7 *10~12 avec E et v respectivement le module de Young et le coefficient de poisson de la silice.
Les membranes déformables 6a, 6b, le fluide compressible et l'enveloppe rigide 4 forment un amplificateur mécanique permettant d'accroître cette sensibilité à la pression extérieure Pθ.
Cet amplificateur permet d'amplifier les déformations axiales tandis que les déformations radiales restent très faibles.
Lors du fonctionnement de l'hydrophone, une onde acoustique basse fréquence entraîne une variation locale de la pression autour de l'hydrophone. La pression extérieure (Pe) devient donc différente de la pression (Pi) régnant au sein de la cavité fluide 1.
La cavité fluide 1 via sa compressibilité tend à équilibrer sa pression avec la pression extérieure par une variation de son volume :
-±f ^Pe-Pi)
Xs V
Avec χs , la compressibilité adiabatique du fluide. V, le volume de cavité fluide 1 et dV, la variation de volume de la cavité.
La géométrie de l'hydrophone contraint la fibre optique 2 à se déformer axialement.
La variation de volume prend la forme : dV = dx* S^ +iπRï -πiR+ dr)2)!
Avec Sax, la surface effective de la membrane 6a, 6b, R le rayon intérieur de l'enveloppe rigide 4 et I la longueur de l'enveloppe rigide 4. p * C p * C
Or : dx = — ^ et dr = ^
Avec kax et krad, les raideurs axiales et radiales du système, S1- la surface radiale intérieure de l'enveloppe rigide 4 et P la pression incidente. krad est principalement dépendant du type de matériau de l'enveloppe rigide 4. kax dépend à la fois des propriétés et dimensions de la membrane 6a, 6b ainsi que de la raideur de la cavité fluide 1.
Un tel système oriente axialement les déformations par : kax « krad.
Un optimum est à déterminer pour maximiser le gain en déformation. Celui-ci peut s'écrire de la forme :
G = A
V S2
Avec A, B et C des constantes, V le volume de la cavité fluide 1 et S la section de la membrane 6a, 6b.
Le gain peut s'exprimer également comme le rapport entre la déformation axiale de la fibre optique due à l'amplificateur mécanique, et la déformation axiale de cette fibre due à la pression sur celle-ci nue.
Le mode de réalisation qui suit donne un exemple de dimensions possibles pour l'hydrophone.
L'enveloppe rigide 4 peut avoir une longueur de 250 mm, avec un diamètre interne de 30 mm et externe de 35 mm. La distance entre les deux membranes déformables 6a, 6b peut être de 70 mm, leur épaisseur de 0,1 mm, et leur diamètre de 22 mm. La fibre optique peut avoir un diamètre de 125 μm, et le réseau de Bragg 3 peut s'étendre sur une longueur de 50 mm. Le module de compressibilité du fluide compressible peut être de 1 GPa. Ces paramètres permettent d'atteindre un gain de 1700.
Les deux membranes déformables 6a, 6b présentent un module d'Young le moins élevé possible, inférieur à 100 GPa.
D'autres dimensions sont également possibles, entraînant des gains différents.
De manière générale, l'hydrophone selon l'invention permet d'atteindre des gains supérieurs à 1000.
La fibre optique 2 est une fibre optique précontrainte. Comme illustré sur les figures 2 à 4, la tension de la fibre optique 2 est maintenue par des moyens de maintien 7a, 7b disposés de part et d'autre de la cavité fluide 1 , et fixé sur chacune des faces d'extrémité 28a, 28b de l'enveloppe rigide 4.
Ces moyens de maintien 7a, 7b sont disposés devant chacune des ouvertures 5a, 5b de l'enveloppe rigide 4, et à l'extérieur de la cavité fluide 1. Chaque moyen de maintien 7a, 7b a une première extrémité 8 solidaire de l'enveloppe rigide 4 et une deuxième extrémité 9 traversée par la fibre optique 2 et solidaire de celle-ci.
Dans les exemples des figures 2 à 4, les moyens de maintien 7a, 7b sont en appui sur les bords d'extrémité de l'enveloppe rigide 4. Ils comprennent trois pattes 18 ayant chacune une première extrémité fixée sur un bord d'extrémité de l'enveloppe rigide 4 et une deuxième extrémité fixée à un support à trois branches 19 terminée par une bague de maintien muni d'un orifice 20 en son centre. Cet orifice 20 est prévu pour le passage de la fibre optique 2 et sa fixation.
Une fois l'amplificateur mécanique monté, la fibre optique 2 est enfilée dans l'orifice 15 prévu dans la membrane déformable 6a, 6b de façon à ce que le réseau de Bragg 3 soit placé au centre de la cavité fluide 1.
La fibre optique 2 est ensuite fixée à la deuxième extrémité 9 d'un des moyens de maintien 7a, 7b par soudure ou collage.
Une fois la fibre optique 2 fixée d'un coté, on applique de l'autre coté une précontrainte calibrée en tirant sur la fibre optique 2.
La fibre optique 2 étant tendue, elle est soudée ou collée à la deuxième extrémité 9 d'un autre moyen de maintien 7a, 7b.
La précontrainte étant permanente, la fibre optique 2 est fixée sur les deux membranes déformables 6a, 6b par collage ou soudure laser.
De cette façon on obtient un équilibre parfait de la tension de la fibre optique 2 de chaque côté des membranes déformables 6a, 6b.
La fibre optique 2 est ensuite coupée, puis raboutée de part et d'autre avec de la fibre optique gainée.
Les moyens de maintien 7a, 7b permettent d'éviter à la fibre optique 2 de se replier sur elle-même lors d'une forte pression acoustique. La précontraine appliquée sur la fibre optique 2 est calculée pour être supérieure aux déformations maximales que pourra subir le dispositif. Ainsi la fibre optique 2 sera toujours tendue pendant le fonctionnement de l'hydrophone.
Cette disposition permet de diminuer au maximum la raideur du système d'amplification mécanique. Les fonctions amplifications et tenue en pré-contrainte sont dissociées.
La pré-contrainte maximale applicable sur la fibre est de 2N. Ce qui correspond à une contrainte maximale de : σ = = 1.63.108Pa , pour une fibre optique 2 de
S fibre diamètre 125 μm.
Le module de Young de la fibre optique 2 étant de 70 GPa, la déformation maximale de fonctionnement en dilatation de la fibre optique 2 est donc de ε = — = 2.3.10 3. La pression acoustique maximale de fonctionnement de
£ £ 2 1 1 0~3 l'hydrophone est donc de : Pmax = ^^ = ^^ = — ^-^- = A.Slbar .
£ lPa ^-£ ref 4.72.10
Soit un niveau acoustique de fonctionnement maximal de :
Figure imgf000011_0001
Comme illustré sur la figure 5, l'hydrophone à fibre à réseau de Bragg comprend au moins un filtre hydrostatique 10a, 10b associé à une membrane déformable 6a, 6b respective de l'enveloppe rigide 4. Chaque filtre hydrostatique 10a, 10b a un réservoir 1 1 a, 1 1 b délimité par une enveloppe externe déformable 12a, 12b et par une des membranes déformables 6a, 6b de l'amplificateur mécanique.
Le réservoir 1 1 a, 1 1 b est en communication fluidique avec la cavité fluide 1 par l'intermédiaire d'un orifice 13a, 13b traversant chaque membrane déformable 6a, 6b. L'enveloppe déformable 12a, 12b est fixée sur l'enveloppe rigide 4 de façon hermétique, et recouvre le moyen de maintien 7a, 7b associé à la membrane déformable 6a, 6b.
Dans l'exemple de la figure 5, l'hydrophone à fibre à réseau de Bragg comprend deux filtres hydrostatiques 10a, 10b positionnés de part et d'autre de l'enveloppe rigide 4.
L'enveloppe externe déformable 12a, 12b du filtre hydrostatique 10a, 10b a une forme de capuchon et peut être en polymère, par exemple.
Les réservoirs 1 1 a, 1 1 b et la cavité fluide 1 sont remplis du fluide compressible.
Chaque enveloppe externe déformable 12a, 12b transmet les variations de pression à une membrane déformable 6a, 6b respective par l'intermédiaire du fluide compressible.
Les orifices 13a, 13b des filtres hydrostatiques 10a, 10b ont un diamètre compris entre 100 μm et 20 μm, de préférence égal à 50 μm. Les filtres hydrostatiques 10a, 10b permettent de mettre le fluide interne à la pression hydrostatique après une variation lente de pression suite à un changement de température ou d'immersion. Ainsi il est possible de s'affranchir de la pression hydrostatique et de ne tenir compte que des variations de pression autour de cette pression. Il est à noter que ces filtres hydrostatiques représentent une limite pour la détection des très basses fréquences. En effet, le temps de réaction du filtre hydrostatique déterminera la fréquence la plus basse mesurable par l'hydrophone. Les filtres hydrostatiques sont des filtres passe-hauts. Ainsi si la fréquence de l'onde acoustique est inférieure à la fréquence de coupure du filtre hydrostatique, il sera sans effet sur cette onde acoustique.
Les très basses fréquences sont filtrées par ce procédé. La dimension du trou des filtres hydrostatiques détermine la fréquence de coupure basse et donc détermine la limite basse de la bande d'utilisation de l'hydrophone. Plus le diamètre de l'orifice 13a, 13b est petit, et plus la fréquence de coupure est basse.
La fréquence de coupure est inférieure à 10 Hz, de préférence égale à 0,4 Hz.
L'hydrophone permet de détecter des ondes acoustiques dans la bande de fréquence comprise entre 0,4 Hz et 10 kHz.
Les éléments constituant l'hydrophone, comme par exemple les membranes déformables 6a, 6b, l'enveloppe rigide 4 et la fibre optique 2, présentent une fréquence de résonance en dehors de la gamme de fréquence allant de 0,4 Hz à 10 kHz.
La section des membranes déformables 6a, 6b est inférieure à celle de l'enveloppe déformable 12a, 12b des filtres hydrostatiques 10a, 10b.
Le diamètre des membranes déformables 6a, 6b est inférieur au diamètre interne de l'enveloppe rigide 4, considéré en dehors des extrémités de l'enveloppe rigide 4.
Les orifices 13a, 13b des filtres hydrostatiques 10a, 10b permettent un équilibrage en pression entre l'intérieur de l'enveloppe rigide 4 et l'intérieur des réservoirs 1 1 a, 1 1 b des filtres hydrostatiques 10a, 10b, et une compensation en température, rendant l'hydrophone insensible aux variations lentes de pression et de température lors des immersions de l'hydrophone à des profondeurs variables.
Lorsque l'hydrophone est immergé en milieu sous marin, et utilisé en statique, les filtres hydrostatiques 10a, 10b permettent d'atténuer l'effet des vagues et de la houle.
Les enveloppes externes déformables 12a, 12b du filtre hydrostatique 10a, 10b sont fixées de façon étanche sur l'enveloppe rigide 4 par des bagues de serrage (non illustré).
L'hydrophone à fibre à réseau de Bragg comprend des cages supports fixées de part et d'autre de l'enveloppe rigide 4, à ses extrémités (non illustré). Ces cages supports ont une forme tubulaire et comportent trois ouvertures latérales. Ces cages supports comprennent une extrémité reliée à l'une des extrémités de l'enveloppe rigide 4 et une autre extrémité fermée par un bouchon munie d'un orifice central formant un passage pour la ou les fibres optiques 2 (non illustré). Ce bouchon peut être en ertalyte par exemple.
Des rainures peuvent être prévues sur la surface externe de l'enveloppe rigide 4 pour recevoir des fibres optiques externe pouvant être reliées à d'autres capteurs de pression acoustique, par exemple.
Un capuchon (non illustré) en élastomère peut être prévu à la sortie de l'orifice central du bouchon pour protéger la ou les fibres optiques.
L'hydrophone à fibre à réseau de Bragg peut comprendre une enveloppe externe souple et hermétique (non illustré), entourant l'ensemble formé par l'enveloppe rigide 4, les filtres hydrostatiques 10a, 10b et les cages supports. L'enveloppe externe est cylindrique et remplie d'un fluide de façon à transmettre les variations de pression extérieures à la cavité fluide 1.
Ce fluide peut être du ricin par exemple. L'enveloppe externe peut être en polymère, par exemple en Hypalon®.
Ainsi, l'invention fournit un hydrophone qui permet d'atteindre des gains importants, supérieurs à 1000, et donc des sensibilités acoustiques supérieures à celles atteintes par les hydrophones connus.
De plus, le fait que les membranes soient déformables dans le même sens, rend l'hydrophone insensible au bruit accélérométrique lorsqu'il est tracté par un navire ou un sous marin.

Claims

REVENDICATIONS
1. Hydrophone à fibre à réseau de Bragg comprenant une cavité fluide (1 ), et une fibre optique (2) dans laquelle est intégrée un réseau de Bragg (3), ladite fibre optique (2) traversant ladite cavité fluide (1 ) de manière à ce que ledit réseau de Bragg (3) soit positionné à l'intérieur de celle-ci,
caractérisé en ce que :
- ladite cavité fluide (1 ) est remplie d'un fluide compressible et délimitée par une enveloppe rigide (4) comportant deux faces d'extrémités (28a, 28b) solidaires de la fibre optique (2),
- au moins une des deux faces d'extrémité (28a, 28b) de l'enveloppe rigide (4) comprend une ouverture (5a, 5b) fermée par une membrane déformable (6a, 6b) solidaire de ladite fibre optique (2), ladite membrane déformable (6a, 6b) étant apte à être déformée par une différence des pressions exercées sur ses faces, entraînant une variation de la longueur de la fibre optique (2) mesurée par une variation de longueur d'onde d'un flux lumineux extrait de la fibre optique (2).
2. Hydrophone à fibre à réseau de Bragg selon la revendication 1 , caractérisé en ce que les deux faces d'extrémité (28a, 28b) de l'enveloppe rigide (4) comprennent chacune une ouverture (5a, 5b) fermée par une membrane déformable (6a, 6b) solidaire de ladite fibre optique (2).
3. Hydrophone à fibre à réseau de Bragg selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que ladite fibre optique (2) est une fibre optique précontrainte, la tension de ladite fibre optique (2) étant maintenue par des moyens de maintien (7a, 7b), lesdits moyens de maintien étant en appui sur chacune des faces d'extrémité (28a, 28b) respective de l'enveloppe rigide (4).
4. Hydrophone à fibre à réseau de Bragg selon la revendication 3, caractérisé en ce que les moyens de maintien (7a, 7b) sont disposés à l'extérieur de la cavité fluide (1 ), chaque moyen de maintien (7a, 7b) ayant une première extrémité (8) solidaire de l'enveloppe rigide (4) et une deuxième extrémité (9) traversée par la fibre optique (2) et solidaire de celle-ci.
5. Hydrophone à fibre à réseau de Bragg selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce qu'il comprend au moins un filtre hydrostatique (10a, 10b) coopérant avec la cavité fluide (1 ), chaque filtre hydrostatique (10a, 10b) étant muni d'un orifice (13a, 13b) apte à permettre une communication fluidique entre l'intérieur et l'extérieur de la cavité fluide (1 ).
6. Hydrophone à fibre à réseau de Bragg selon la revendication 5, caractérisé en ce que chaque filtre hydrostatique (10a, 1 Ob) est associé à une des membranes déformables (6a, 6b) respectives, chaque filtre hydrostatique (10a, 10b) présentant un réservoir (1 1 a, 1 1 b) délimité par une enveloppe externe déformable (12a, 12b) et par une des faces d'extrémité (28a, 28b) de l'enveloppe rigide (4), ledit réservoir (1 1 a, 1 1 b) étant en communication fluidique avec la cavité fluide (1 ) par l'intermédiaire dudit orifice (13a, 13b) traversant la membrane déformable (6a, 6b), ladite enveloppe externe déformable (12a, 12b) étant fixée à l'enveloppe rigide (4) de façon hermétique.
7. Hydrophone à fibre à réseau de Bragg selon la revendication 6, caractérisé en ce que la section des membranes déformables (6a, 6b) est inférieure à celle de l'enveloppe externe déformable (12a, 12b) des filtres hydrostatiques (10a, 10b).
8. Hydrophone à fibre à réseau de Bragg selon l'une quelconque des revendications 1 à 7, caractérisé en ce que les éléments constituant ledit hydrophone présentent une fréquence de résonance en dehors de la gamme de fréquence comprise entre 0,4 Hz et 10 kHz.
9. Hydrophone à fibre à réseau de Bragg selon l'une quelconque des revendications 1 à 8, caractérisé en ce qu'il comprend une enveloppe externe, souple et hermétique, entourant l'ensemble formé par l'enveloppe rigide (4) et les filtres hydrostatiques (10a, 10b), ladite enveloppe externe étant remplie d'un fluide de façon à transmettre les variations de pression extérieures à la cavité fluide (1 ).
10. Hydrophone à fibre à réseau de Bragg selon l'une quelconque des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que le fluide compressible de la cavité fluide (1 ) présente un module de compressibilité inférieur à 1 ,5 GPa.
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Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012114077A2 (fr) * 2011-02-25 2012-08-30 Optasense Holdings Limited Détection acoustique répartie
WO2012140179A1 (fr) * 2011-04-14 2012-10-18 Thales Hydrophone tout optique insensible a la temperature et a la pression statique
WO2012109502A3 (fr) * 2011-02-10 2013-04-25 Siemens Energy, Inc. Capteur de vibrations
WO2013098321A2 (fr) 2011-12-30 2013-07-04 Shell Internationale Research Maatschappij B.V. Système et procédé avancés permettant la production de fluide hydrocarbure
CN104570145A (zh) * 2015-02-14 2015-04-29 吉林大学 一种光纤传感生命探测设备
CN105352652A (zh) * 2015-09-30 2016-02-24 南京航空航天大学 差动式光纤光栅气压传感器及监测飞机空速管动压的方法
FR3034207A1 (fr) * 2015-03-27 2016-09-30 Thales Sa Dispositif de capteur a fibre optique
FR3037146A1 (fr) * 2015-06-08 2016-12-09 Airbus Sas Dispositif de mesure de pression
CN112629641A (zh) * 2020-11-30 2021-04-09 中山市精量光电子科技有限公司 一种飞轮状膜片式高灵敏度标量水听器及方法
US11078204B2 (en) 2018-11-13 2021-08-03 Incyte Corporation Heterocyclic derivatives as PI3K inhibitors
CN113405645A (zh) * 2021-06-08 2021-09-17 哈尔滨工程大学 一种基于活塞的耐静水压光纤水听器
US11161838B2 (en) 2018-11-13 2021-11-02 Incyte Corporation Heterocyclic derivatives as PI3K inhibitors
US11396502B2 (en) 2018-11-13 2022-07-26 Incyte Corporation Substituted heterocyclic derivatives as PI3K inhibitors

Families Citing this family (19)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2946141B1 (fr) * 2009-05-29 2011-09-30 Ixsea Hydrophone a fibre a reseau de bragg avec amplificateur a soufflet
CN103438979A (zh) * 2013-08-14 2013-12-11 武汉普惠海洋光电技术有限公司 一种光纤水听器固定装置
US11428845B2 (en) * 2015-11-04 2022-08-30 Quantum Technology Sciences, Inc. System and method for sensing seismic acoustic signals
EP3485325B1 (fr) * 2016-07-13 2022-04-06 Technology Innovation Momentum Fund (Israel) Limited Partnership Couplage d'informations de capteur à un câble optique à l'aide de vibrations ultrasonores
CN106289502B (zh) * 2016-08-11 2019-01-22 中国船舶重工集团公司第七一五研究所 一种基于分布反馈式光纤激光器的三维矢量水听器及相位解调方法
US10444063B2 (en) * 2016-09-23 2019-10-15 Baker Hughes, A Ge Company, Llc Downhole fiber optic hydrophone
US20190360323A1 (en) * 2018-05-24 2019-11-28 Baker Hughes, A Ge Company, Llc Transducers including laser etched substrates
WO2021001710A1 (fr) 2019-07-02 2021-01-07 Technology Innovation Momentum Fund (Israel) Limited Partnership Interrogation de réseaux de réflecteurs faibles espacés de manière égale dans des fibres optiques
US11867855B2 (en) 2019-12-10 2024-01-09 Baker Hughes Oilfield Operations Llc Downhole fiber optic hydrophone
CN111307362B (zh) * 2020-03-25 2021-06-15 电子科技大学 一种光纤光栅压力传感器及其使用方法
CN111399034B (zh) * 2020-03-31 2021-03-16 武汉理工大学 基于低弯曲损耗啁啾光栅阵列的水听器检测装置与方法
CN111337117B (zh) * 2020-04-14 2022-07-05 青岛海洋科学与技术国家实验室发展中心 一种光纤激光水听器
CN112924013B (zh) * 2021-01-28 2022-04-05 哈尔滨工程大学 一种抗加速度的光纤水听器探头装置
CN114623916A (zh) * 2022-02-28 2022-06-14 浙江大学 一种采用双锥台形膜片的光纤光栅水听器
CN114623914A (zh) * 2022-02-28 2022-06-14 浙江大学 一种采用锥台膜片和抗拉涂层的光纤光栅水听器
CN114623915A (zh) * 2022-02-28 2022-06-14 浙江大学 一种采用抗拉涂层增敏的双膜片光纤光栅水听器
CN114623917A (zh) * 2022-02-28 2022-06-14 浙江大学 一种采用锥台形膜片的低通滤波光纤光栅水听器
CN114623913A (zh) * 2022-02-28 2022-06-14 浙江大学 一种采用钹形膜片和抗拉涂层的光纤光栅水听器
CN114593811A (zh) * 2022-02-28 2022-06-07 浙江大学 一种采用钹形膜片的低通滤波光纤光栅水听器

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2145237A (en) * 1981-04-03 1985-03-20 Chevron Res Optical system
FR2562741A1 (fr) * 1984-04-05 1985-10-11 Exxon Production Research Co Systeme de collecte de donnees a fibres optiques
US6160762A (en) * 1998-06-17 2000-12-12 Geosensor Corporation Optical sensor
US6175108B1 (en) * 1998-01-30 2001-01-16 Cidra Corporation Accelerometer featuring fiber optic bragg grating sensor for providing multiplexed multi-axis acceleration sensing
EP1310801A1 (fr) * 2001-11-13 2003-05-14 Abb Research Ltd. Capteur sismique à laser à fibre
US20040237648A1 (en) * 2003-06-02 2004-12-02 Jones Richard Todd Optical accelerometer or displacement device using a flexure system
WO2006034538A1 (fr) 2004-09-28 2006-04-06 The Commonwealth Of Australia Detecteur de pression opto-acoustique

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3660809A (en) * 1970-06-29 1972-05-02 Whitehall Electronics Corp Pressure sensitive hydrophone
US5363342A (en) * 1988-04-28 1994-11-08 Litton Systems, Inc. High performance extended fiber optic hydrophone
US5311485A (en) * 1992-10-30 1994-05-10 The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy Fiber optic hydrophone
AU756444B2 (en) 1998-12-04 2003-01-16 Weatherford Technology Holdings, Llc Bragg grating pressure sensor
US6422084B1 (en) * 1998-12-04 2002-07-23 Weatherford/Lamb, Inc. Bragg grating pressure sensor
US6160763A (en) * 1998-12-28 2000-12-12 Sealandaire Technologies, Inc. Towed array hydrophone
CA2444379C (fr) * 2002-10-06 2007-08-07 Weatherford/Lamb, Inc. Mecanisme detecteur multi-elements
CN100507475C (zh) 2006-12-31 2009-07-01 中国科学院半导体研究所 一种静压自补偿光纤光栅水听器
FR2946141B1 (fr) * 2009-05-29 2011-09-30 Ixsea Hydrophone a fibre a reseau de bragg avec amplificateur a soufflet

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2145237A (en) * 1981-04-03 1985-03-20 Chevron Res Optical system
FR2562741A1 (fr) * 1984-04-05 1985-10-11 Exxon Production Research Co Systeme de collecte de donnees a fibres optiques
US6175108B1 (en) * 1998-01-30 2001-01-16 Cidra Corporation Accelerometer featuring fiber optic bragg grating sensor for providing multiplexed multi-axis acceleration sensing
US6160762A (en) * 1998-06-17 2000-12-12 Geosensor Corporation Optical sensor
EP1310801A1 (fr) * 2001-11-13 2003-05-14 Abb Research Ltd. Capteur sismique à laser à fibre
US20040237648A1 (en) * 2003-06-02 2004-12-02 Jones Richard Todd Optical accelerometer or displacement device using a flexure system
WO2006034538A1 (fr) 2004-09-28 2006-04-06 The Commonwealth Of Australia Detecteur de pression opto-acoustique

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP2435855A1

Cited By (28)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8820167B2 (en) 2011-02-10 2014-09-02 Siemens Energy, Inc. Vibration sensor
WO2012109502A3 (fr) * 2011-02-10 2013-04-25 Siemens Energy, Inc. Capteur de vibrations
CN103459992A (zh) * 2011-02-10 2013-12-18 西门子能量股份有限公司 振动传感器
GB2501655A (en) * 2011-02-25 2013-10-30 Optasense Holdings Ltd Distributed acoustic sensing
WO2012114077A2 (fr) * 2011-02-25 2012-08-30 Optasense Holdings Limited Détection acoustique répartie
WO2012114077A3 (fr) * 2011-02-25 2013-03-14 Optasense Holdings Limited Détection acoustique répartie
CN103492842A (zh) * 2011-04-14 2014-01-01 泰勒斯公司 对于温度或静压不灵敏的全光水听器
KR102112366B1 (ko) * 2011-04-14 2020-05-18 탈레스 온도 또는 정압에 대해 민감하지 않은 전광 하이드로폰
KR20140015467A (ko) * 2011-04-14 2014-02-06 탈레스 온도 또는 정압에 대해 민감하지 않은 전광 하이드로폰
JP2014519014A (ja) * 2011-04-14 2014-08-07 テールズ 温度又は静圧の影響を受けない全光ハイドロホン
FR2974263A1 (fr) * 2011-04-14 2012-10-19 Thales Sa Hydrophone tout optique insensible a la temperature et a la pression statique
US9103713B2 (en) 2011-04-14 2015-08-11 Thales All-optical hydrophone insensitive to temperature and to static pressure
WO2012140179A1 (fr) * 2011-04-14 2012-10-18 Thales Hydrophone tout optique insensible a la temperature et a la pression statique
WO2013098321A2 (fr) 2011-12-30 2013-07-04 Shell Internationale Research Maatschappij B.V. Système et procédé avancés permettant la production de fluide hydrocarbure
CN104570145A (zh) * 2015-02-14 2015-04-29 吉林大学 一种光纤传感生命探测设备
FR3034207A1 (fr) * 2015-03-27 2016-09-30 Thales Sa Dispositif de capteur a fibre optique
WO2016156197A1 (fr) * 2015-03-27 2016-10-06 Thales Dispositif de capteur a fibre optique
US10627284B2 (en) 2015-03-27 2020-04-21 Thales Optical-fibre sensor device
FR3037146A1 (fr) * 2015-06-08 2016-12-09 Airbus Sas Dispositif de mesure de pression
CN105352652A (zh) * 2015-09-30 2016-02-24 南京航空航天大学 差动式光纤光栅气压传感器及监测飞机空速管动压的方法
US11078204B2 (en) 2018-11-13 2021-08-03 Incyte Corporation Heterocyclic derivatives as PI3K inhibitors
US11161838B2 (en) 2018-11-13 2021-11-02 Incyte Corporation Heterocyclic derivatives as PI3K inhibitors
US11396502B2 (en) 2018-11-13 2022-07-26 Incyte Corporation Substituted heterocyclic derivatives as PI3K inhibitors
US12006320B2 (en) 2018-11-13 2024-06-11 Incyte Corporation Heterocyclic derivatives as PI3K inhibitors
CN112629641A (zh) * 2020-11-30 2021-04-09 中山市精量光电子科技有限公司 一种飞轮状膜片式高灵敏度标量水听器及方法
CN112629641B (zh) * 2020-11-30 2023-03-28 中山市精量光电子科技有限公司 一种飞轮状膜片式高灵敏度标量水听器及方法
CN113405645A (zh) * 2021-06-08 2021-09-17 哈尔滨工程大学 一种基于活塞的耐静水压光纤水听器
CN113405645B (zh) * 2021-06-08 2022-09-27 哈尔滨工程大学 一种基于活塞的耐静水压光纤水听器

Also Published As

Publication number Publication date
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US8687927B2 (en) 2014-04-01
US20120093463A1 (en) 2012-04-19
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