同振型三軸光纖矢量水聽器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李昌杰，馬龍飛，宋佳

（山東新康威電子有限公司，山東威海，264200）

0 引言

目前在光纖矢量水聽器的各種類型中，主要有同振型光纖矢量水聽器和壓差式光纖矢量水聽器，本產(chǎn)品為同振型光纖矢量水聽器，同振型光纖矢量水聽器是一種新型水下聲信號接收器，水聽器是在水下將聲信號轉(zhuǎn)化為電信號的換能器，它可以分為標(biāo)量和矢量水聽器，其差異在于矢量水聽器具有指向性而標(biāo)量水聽器并無明顯的指向性。光纖矢量水聽器已被應(yīng)用在水聲學(xué)和空氣聲學(xué)的各個(gè)領(lǐng)域，主要應(yīng)用領(lǐng)域基本涵蓋了海洋環(huán)境特性、艦艇輻射噪聲測量、水聲警戒聲納、共形陣聲納、水雷聲引信、魚類和深水炸彈自導(dǎo)聲納、水下定位導(dǎo)航、水下聲通信、水聲分布傳感器網(wǎng)絡(luò)等。業(yè)內(nèi)矢量水聽器指向性較好的可以做到25~30dB，加速度靈敏度達(dá)到40dB re 1rad/g，產(chǎn)品計(jì)劃做到加速度靈敏度≥40dB re 1rad/g的指標(biāo)，指向性達(dá)到25dB。

1 光纖矢量水聽器工作原理

干涉型光纖水聽器是基于高性能的邁克耳孫干涉儀結(jié)構(gòu)，由激光器發(fā)出的光經(jīng)光隔離器后，通過3 dB 光纖耦合器被分為兩束，分別進(jìn)入干涉儀兩臂，經(jīng)光纖后端的反射鏡反射后返回光纖耦合器進(jìn)行干涉，干涉光信號經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號，再進(jìn)行信號處理就可以得到聲波信息。水聲信號作用于彈性體上，引起彈性體的微應(yīng)變，而繞在彈性體上的光纖隨之發(fā)生應(yīng)變，光纖的應(yīng)變隨即改變（調(diào)制）光纖中傳播的光波的相位。通過解調(diào)出光波相位的變化從而就能獲得水聲信號的大小。對于光波相位的解調(diào)都是經(jīng)過激光干涉來實(shí)現(xiàn)的，因此，光纖繞制在水聽器彈性體上成為光纖水聽器敏感圈后，還要將該敏感圈接入光纖Michelson 干涉儀中，該光纖水聽器的光路原理圖如圖1所示。

圖1 干涉型光纖水聽器原理圖

圖2 同振型光纖矢量水聽器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖、器件收納圖、外部結(jié)構(gòu)圖

干涉型光纖水聽器的基本關(guān)系式為：I=A+Bcos(Ccosω0t+Φ0+Φs)，式中I為光纖Michelson 干涉儀的輸出光強(qiáng)，A 為直流分量，B 為由激光干涉引起的交流分量幅度，Φs是一個(gè)可被聲壓或其他物理量調(diào)制的光相移Φs=2πnL/λ，n為光纖纖芯折射率，L為敏感光纖長度的2 倍（干涉儀光程差），λ為激光工作波長，Φ0為干涉儀的信號臂和參考臂之間的初始相位差。干涉型光纖水聽器的工作過程就是從光纖Michelson 干涉儀的輸出光強(qiáng)I的變化中解調(diào)出Φs的變化，從而確定引起Φs變化的聲壓P的大小[4~5]。

2 光纖矢量水聽器設(shè)計(jì)與制作

本文設(shè)計(jì)、制作的三維同振型光纖矢量水聽器是由彈性體、質(zhì)量塊、固定件、底部球殼、球殼上蓋、干涉儀組成。外形尺寸為φ100mm，X，Y，Z 三軸正交，球殼內(nèi)部包括6個(gè)彈性體，6個(gè)固定件，1個(gè)質(zhì)量塊，質(zhì)量塊與彈性體通過螺紋連接，彈性體與固定件采用緊配合方式連接，使用0.2mm的薄壁黃銅結(jié)構(gòu)作為彈性體，本結(jié)構(gòu)裝配簡單，可靠性高。

采用有限元的方法利用ANSYS 進(jìn)行仿真，矢量水聽器外徑是100mm、黃銅薄壁彈性體長度25mm 時(shí)，諧振頻率是1690Hz；外徑變更為80mm、彈性體長度16mm 時(shí)，諧振頻率為2080Hz；通過減小矢量水聽器的外徑尺寸可以提高諧振頻率，但加速度靈敏度也會(huì)降低，需要按照實(shí)際應(yīng)用設(shè)計(jì)。選擇了彈性體長度為16、20、25mm 三種長度，對應(yīng)的球殼外徑分別為80、90、100mm，表1 是變更彈性體長度后聲壓靈敏度和加速度靈敏度對應(yīng)關(guān)系。

表1 彈性體長度與聲壓靈敏度、加速度靈敏度表格

考慮光纖層的影響，以光纖等效層中心處的徑向形變來計(jì)算聲壓靈敏度：式中，ΔR 光纖等效層中心處的徑向形變，彈性柱體長度為25mm，光纖圈數(shù)按照繞制500 圈光纖、厚度0.6mm 計(jì)算，圖3 為靈敏度形變量曲線。

圖3 靈敏度形變量曲線圖（彈性體長度25mm）

ΔR ≈2.47×10-11m，靈敏度=20×log(0.19906*10-6)=-134.5dB，圖4 為加速度靈敏度形變量曲線。

圖4 加速度靈敏度形變量曲線圖（彈性體長度25mm）

彈性體長度為20mm，ΔR ≈1.8×10-9m，加速度靈敏度=20*log(137.8)=42.79dB，光纖長度44m、每層可繞制光纖85 圈、每圈光纖長為64.1mm，光纖可繞680 圈（一層光纖18.5/0.17=105 圈）共6.5 圈，若按照實(shí)際的500 圈光纖來計(jì)算，共纏5 層光纖，光纖層厚度為0.17×5=0.85mm（為構(gòu)建模型簡便，建模時(shí)將光纖層厚度按照0.84mm 考慮），光纖層厚度1.1mm(0.17×6.5)，圖5 為靈敏度形變量曲線。

圖5 靈敏度形變量曲線圖（彈性體長度20mm）

光纖圈數(shù)按照繞制500 圈來計(jì)算，ΔR ≈1.9×10-11m，靈敏度=20*log(0.14535*10-6)=-136.75dB，圖6 為加速度靈敏度形變量曲線。

圖6 加速度靈敏度形變量曲線圖（彈性體長度20mm）

彈性體長度為16mm，ΔR ≈1.4×10-9m，加速度靈敏度=20*log(107.19)=40.6dB，光纖長度44m、每層光纖為85 圈、每圈光纖長為64.1mm，44m 光纖一共可繞680 圈（8 層）。光纖層厚度為0.17mm×8=1.36mm。圖7 為靈敏度形變量曲線。

圖7 靈敏度形變量曲線圖（彈性體長度16mm）

ΔR ≈1.5×10-11m，光纖圈數(shù)按照實(shí)際500 圈來計(jì)算，靈敏度=20*log(0.11484*10-6)=-138.8dB，圖8 為加速度靈敏度形變量曲線。

圖8 加速度靈敏度形變量曲線圖（彈性體長度16mm）

圖9 矢量水聽器懸掛系統(tǒng)圖片

圖10 X、Y、Z 軸加速度靈敏度

黃銅薄壁彈性體長度為25mm，ΔR ≈1×10-9m，加速度靈敏度=20*log(76.56)=37.68dB，通過仿真分析，加速度靈敏度為42.79dB re 1rad/g，可以滿足加速度靈敏度≥40dB re 1rad/g的設(shè)計(jì)要求。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為保證同振型光纖矢量水聽器準(zhǔn)確地對聲介質(zhì)振動(dòng)進(jìn)行測量，必須保證矢量水聽器盡可能不受影響的與質(zhì)點(diǎn)一起振動(dòng)，安裝方式需要保證懸掛系統(tǒng)與平臺不影響測量結(jié)果，采用了三軸橡皮筋懸掛的方式，這種懸掛方式可避免矢量水聽器的轉(zhuǎn)動(dòng)，能較好滿足矢量探測的要求。

加速度靈敏度測試原理，矢量水聽器的加速度靈敏度Ma和聲壓靈敏度Mp之間有轉(zhuǎn)換關(guān)系式，其中ω為信號頻率，ρ為介質(zhì)密度，c為水中聲速，在光纖水聽器聲壓靈敏度測試設(shè)備及經(jīng)驗(yàn)豐富的情況下，先測試矢量水聽器的聲壓靈敏度，而后利用關(guān)系式轉(zhuǎn)化為矢量水聽器的加速度靈敏度。標(biāo)準(zhǔn)壓電水聽器與矢量水聽器高度一致。

測試指向性所需設(shè)備有低頻換能器，高頻換能器，NYK5887-L6 型功率放大器，標(biāo)準(zhǔn)聲壓水聽器，電荷放大器，示波器，信號發(fā)生器，解調(diào)板卡等，指向性測試原理是利用標(biāo)準(zhǔn)壓電水聽器標(biāo)定矢量水聽器每個(gè)維度的聲壓靈敏度，然后根據(jù)聲壓與加速度靈敏度的轉(zhuǎn)換公式計(jì)算出矢量水聽器每個(gè)維度的加速度靈敏度，進(jìn)而求出指向性。測試時(shí)X、Y、Z 三個(gè)軸，每個(gè)軸旋轉(zhuǎn)360°，每10°采集一次數(shù)據(jù)，共采集36個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)，繪制指向性圖，實(shí)驗(yàn)測得X 軸指向性為27.2 dB，Y 軸指向性為26.7 dB, Y 軸指向性為26.2 dB。指向性圖如圖11所示。

圖11 X、Y、Z 軸指向性圖

4 結(jié)論

介紹了同振型三軸矢量水聽器的工作原理、陣元結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)及仿真。并研制了直徑100mm 矢量水聽器樣品，通過測試加速度靈敏度為平均43.5dB re 1rad/g（在100Hz~1kHz頻段內(nèi)），靈敏度波動(dòng)小于±1.5dB。指向性約為26dB。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果表明，該矢量水聽器具有較高的加速度靈敏度和指向性，組裝方便，可以滿足工程項(xiàng)目的需要。