带空气腔芯轴型光纤水听器特性研究

　　0 引言

　　光纤水听器是光纤传感技术在海洋技术上的重要应用,它是目前最理想的水声信号探测装置.与传统水听器相比,光纤水听器具有频带宽、灵敏度高、抗电磁干扰、体积小、重量轻、可设计成任意形状、兼具传感和传输于一体等优点[1-2],自20世纪70年代末被提出以来,经过20多年的研究,已成为现代声纳的一个重要发展方向[3-7].

　　干涉型光纤水听器是研究最多、应用最为广泛的,带空气腔芯轴型水听器采用Michelson或M-Z型干涉仪,声压作用产生相位差给到解调系统得到信号.这种结构已经得到较多的分析和研究[8-12],但在早先的工作中,通常采用平面应力假设建立简化模型,并采用多层材料分析;而实际情况弹性筒并不是无限长,不会处于完全的的平面应变状态中,特别是轴向压力并不为零,所以根据这种简化模型得到的灵敏度值要比真实值偏大.

　　本文分别建立二维和三维模型对带空气腔芯轴型结构进行分析,关于频率特性的分析已经通过另文介绍[13],这里着重研究灵敏度特性.通过比较可以看出三维模型可以很好地改善模型的准确度,理论计算值与实测值更为接近.并小批量制作了22个水听器探头进行了测试,其与模型理论计算值吻合的很好.其灵敏度很高,并且具有很宽的频带.试验工作也证明理论模型的正确性,并对根据实际需要来设计不同尺寸和性能的水听器结构具有十分重要的指导作用.

　　1 原理

　　1.1 基本原理

　　图1为干涉型光纤水听器的基本原理.图中阴影部分是光纤水听器基元部分,其完全由光学器件组成,传感臂感受声压变化并且变为干涉仪的相移输出,最后通过探测器送给光纤干涉解调系统求解出声压.

　　图2是带空气腔芯轴型光纤水听器结构,位于基元中心的芯轴(Mandrel),芯轴的作用是支撑整个水听器,芯轴中放入光纤耦合器和进出光纤;参考臂(Reference fiber)缠绕在芯轴上,芯轴部分夹紧弹性筒(Elastic Tube),弹性筒和芯轴中间有空气层(Air-Filled),参考臂基本感受不到声压,而且芯轴的弹性模量比较大,因此参考臂的长度基本不变化;弹性筒的作用是将感受的声压转变为其径向变化;光纤干涉仪的敏感臂缠绕在弹性筒上,其中传光的相位变化由两个部分组成:一个是由于弹性筒的径向变化带来的长度变化引起的相移,第二个是光纤由于受到压力产生的弹光效应而带来的相移.由于参考臂的相移被忽略,因此敏感臂(Sensing fiber)的相移就是水听器基元的干涉信号输出.

　　1.2 弹性筒力学模型

　　现建立弹性筒力学模型来分析光纤水听器基元的相移灵敏度特性.图3是带空气腔芯轴型光纤水听器模型.在讨论弹性筒力学状态时,本质上是求解弹性理论的平面径向对称问题.因为在低频的情况下,水中的声波的波长比较长,因此可认为弹性筒是受到均匀的径向压力作用.这里采用位移法求解.