一種新型傳感用補(bǔ)償光纖干涉儀的研制

吳國(guó)軍，李東明，徐漢鋒，王 巍

（中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所，浙江杭州 320012）

0 引言

某光纖傳感設(shè)備中，補(bǔ)償干涉儀安裝于發(fā)射機(jī)箱中，用于補(bǔ)償光纖傳感探頭的臂長(zhǎng)差，降低系統(tǒng)的相位噪聲，同時(shí)可以加載解調(diào)載波信號(hào)和聲參考信號(hào)，用于系統(tǒng)解調(diào)算法的解調(diào)。若補(bǔ)償干涉儀對(duì)外界環(huán)境的抗噪性能差，將會(huì)提高設(shè)備整機(jī)系統(tǒng)的相位噪聲本底，降低傳感器的探測(cè)性能。當(dāng)把安裝有補(bǔ)償干涉儀的設(shè)備作簡(jiǎn)單的隔振處理，放置在機(jī)房中，此時(shí)設(shè)備的整機(jī)背景噪聲為-80 dB左右。根據(jù)項(xiàng)目要求研制了一種新型補(bǔ)償干涉儀，提高了其對(duì)外界環(huán)境的抗噪性能，降低了設(shè)備的相位噪聲本底。

1 光路測(cè)試系統(tǒng)

圖1所示為光纖傳感設(shè)備使用的PGC外調(diào)制方案，將光纖繞在壓電陶瓷上，通過(guò)給壓電陶瓷提供交流驅(qū)動(dòng)電壓，利用其電致伸縮效應(yīng)拉伸光纖，產(chǎn)生載波相位。外調(diào)制原理是外加的信號(hào)周期性地改變干涉光的相位差，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的相位調(diào)制。外調(diào)制產(chǎn)生的相位差為[1]：

其中p為壓電陶瓷在驅(qū)動(dòng)電壓下產(chǎn)生的相位變化的幅值。τ為水聽器臂長(zhǎng)差L產(chǎn)生的時(shí)延，τ=2nL/c，f為驅(qū)動(dòng)調(diào)制頻率，n為纖芯有效折射率，c為光速。

圖1 PGC外調(diào)制方案

光纖干涉補(bǔ)償儀對(duì)外界振動(dòng)和噪聲很敏感，作為光纖傳感設(shè)備中一個(gè)重要模塊，該模塊的抗干擾性能直接影響系統(tǒng)噪聲和解調(diào)效果。

設(shè)計(jì)思路是將光路系統(tǒng)中的光纖補(bǔ)償干涉儀整體封裝成一個(gè)模塊，用于光纖傳感設(shè)備中。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

對(duì)光纖干涉補(bǔ)償儀進(jìn)行相關(guān)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，包括隔聲設(shè)計(jì)、減振設(shè)計(jì)及吸聲設(shè)計(jì)。

2.1 隔聲設(shè)計(jì)

隔聲是使用一定結(jié)構(gòu)來(lái)隔絕空氣中傳播的噪聲，從而獲得安靜的環(huán)境。聲學(xué)技術(shù)中的空氣隔聲理論及隔聲量計(jì)算依據(jù)質(zhì)量定律，其表述為隔聲件質(zhì)量m或聲頻f加倍，隔聲量相應(yīng)增加6 dB左右。

結(jié)構(gòu)隔聲主要有單層結(jié)構(gòu)隔聲和雙層結(jié)構(gòu)隔聲，其示意圖如圖2所示。

圖2 單、雙層結(jié)構(gòu)隔聲示意

采用圖2中左圖的單層結(jié)構(gòu)隔聲時(shí)，依據(jù)質(zhì)量定律把板厚h增大一倍時(shí)，隔聲量提高約6 dB。對(duì)隔聲量影響最大的是第一共振頻率f0，設(shè)計(jì)時(shí)要求共振頻率低于敏感聲頻率f。

單層結(jié)構(gòu)隔聲的第一共振頻率計(jì)算公式2為：

式中：ρ為構(gòu)件的密度（kg/m3）；

h為構(gòu)件的厚度（m）。

如圖2（b）所示，雙層結(jié)構(gòu)隔聲是在兩結(jié)構(gòu)之間存在一定的空氣層，此時(shí)獲得的隔聲量要大于6 dB。

雙層結(jié)構(gòu)共振頻率計(jì)算公式[3]：

式（2）中： ρ1、 ρ2為兩層板的密度（kg/m3）；

h1、h2為兩層板各自的厚度（m）；

ρ為空氣密度，常溫為1.18 kg/m3；

c為常溫下聲速344 m/s；

d為兩層結(jié)構(gòu)間空氣層厚度（m）。

由于按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)已完成設(shè)備結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及加工，光纖補(bǔ)償干涉儀作為一個(gè)模塊必須按照一定的方式安裝在設(shè)備中。安裝光纖補(bǔ)償干涉儀的插箱外形尺寸為300 mm 95 mm 40 mm，插箱材質(zhì)為鋁合金，鈑金壁厚為4 mm。

若采用單層隔聲設(shè)計(jì)，按公式（1）得到第一共振頻率為f0=2 887 Hz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于敏感聲頻率f。故單層隔聲設(shè)計(jì)滿足不了聲學(xué)上的指標(biāo)。

基于光纖補(bǔ)償干涉儀的插箱結(jié)構(gòu)尺寸，結(jié)合結(jié)構(gòu)特定，采用雙層結(jié)構(gòu)隔聲設(shè)計(jì)。如圖3所示為產(chǎn)品內(nèi)外層結(jié)構(gòu)示意圖，外層結(jié)構(gòu)為光纖補(bǔ)償干涉儀的插箱，內(nèi)層為內(nèi)保護(hù)盒。

根據(jù)插箱及內(nèi)保護(hù)盒中相關(guān)器件布局特定，空氣層厚度d最小處設(shè)計(jì)尺寸為10 mm。外層厚度h1為4 mm，密度ρ1為2.7 103kg/m3；內(nèi)層厚度h2為3 mm，密度 ρ1為7.8 103kg/m3。代入公式（2），得到共振頻率f0為218 Hz。

圖3 產(chǎn)品內(nèi)外層結(jié)構(gòu)示意圖

綜合尺寸限制及機(jī)箱內(nèi)器件的布局情況，選用隔聲效果更優(yōu)的雙層結(jié)構(gòu)隔聲。

如圖4為內(nèi)層結(jié)構(gòu)立體圖，內(nèi)層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成一個(gè)盒體，其既可用于隔聲，又用作保護(hù)光纖及器件。內(nèi)層盒底部上安裝有陶瓷環(huán)和繞線骨架，兩者上下面都粘貼特定厚度的海綿橡膠板用于隔振。陶瓷環(huán)上繞加載調(diào)制的光纖，繞線骨架上纏繞剩余的補(bǔ)償光纖。

在保護(hù)盒的各個(gè)縫隙處，粘貼海綿橡膠條。在補(bǔ)償干涉儀的內(nèi)層結(jié)構(gòu)的內(nèi)外表面和外層結(jié)構(gòu)內(nèi)表面涂覆阻尼涂料。

圖4 內(nèi)層結(jié)構(gòu)立體圖

2.2 減振設(shè)計(jì)

隔振設(shè)計(jì)是使用隔振元件來(lái)達(dá)到隔振，隔振元件包括隔振墊層和隔振器。

隔振墊層利用本身的自然特性，置于需要隔振的基座下。常見的隔振墊層有軟木、毛氈、橡膠、海綿、玻璃纖維、泡沫塑料等。

隔振器是一種彈性支撐元件，是通過(guò)專門設(shè)計(jì)而制造出來(lái)的器件，主要包括油壓隔振器、彈簧隔振器、橡膠隔振器、鋼絲繩隔振器[4]。

光纖補(bǔ)償干涉儀插箱豎直安裝在光纖傳感設(shè)備機(jī)箱中，要求能隔離低頻振動(dòng)信號(hào)；光纖傳感設(shè)備機(jī)箱的裝配要求方便。綜合以上兩方面，項(xiàng)目中選用鋼絲繩隔振器[5]。

隔振器實(shí)際安裝如圖5所示，采用鋼絲繩隔振器來(lái)進(jìn)行光纖補(bǔ)償干涉儀插箱內(nèi)層保護(hù)盒的隔振。上下層共安裝6只鋼絲繩隔振器，上層3只吊裝，下層3只垂向支承，錯(cuò)位分布。

圖5 隔振器安裝圖

減振系統(tǒng)為無(wú)阻尼單自由度系統(tǒng)，其理論模型見圖6所示，采用一個(gè)質(zhì)量、兩個(gè)彈簧并聯(lián)的模型，該系統(tǒng)固有角頻率計(jì)算公式為：

其中：k1=3 k，k2=3 k

k為單個(gè)隔振器彈簧剛度（N/cm）；

m為內(nèi)盒體總質(zhì)量（kg）。

鋼絲繩隔振器選用國(guó)標(biāo)產(chǎn)品，其剛度系數(shù)可按公式：

式中：Δ為該型鋼絲繩隔振器剛度系數(shù)加權(quán)比例值；

G為切變模量（Pa）；

d為鋼絲繩直徑（cm）；

N為彈簧有效圈數(shù)；

D為彈簧中徑（cm）。

通過(guò)相關(guān)理論計(jì)算及實(shí)際試驗(yàn)結(jié)論，該隔振系統(tǒng)峰值響應(yīng)頻率在20 Hz左右。

2.3 吸聲設(shè)計(jì)

聲波入射到媒介分界面上時(shí)聲能的減少過(guò)程稱為吸聲。

為進(jìn)一步提高干涉儀對(duì)外界環(huán)境的抗噪性能，在隔聲設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行吸聲設(shè)計(jì)。結(jié)合光纖補(bǔ)償干涉儀的插箱空間尺寸，吸聲設(shè)計(jì)的工程操作如下：

1）在內(nèi)層結(jié)構(gòu)內(nèi)外表面粘貼阻燃聚氨酯聲學(xué)泡沫。

2）在內(nèi)外層結(jié)構(gòu)的空氣腔中填充防水超細(xì)玻璃棉。該類型玻璃棉具有防水、質(zhì)輕、柔軟、安裝時(shí)不太刺激皮膚等優(yōu)點(diǎn)。適當(dāng)增加超細(xì)棉的體密度，可以改善低頻吸聲性能。

圖6 減振系統(tǒng)理論模型

內(nèi)層結(jié)構(gòu)內(nèi)部填充防水超細(xì)玻璃棉后的整體效果圖如圖7所示。

圖7 內(nèi)層結(jié)構(gòu)實(shí)物圖

外層結(jié)構(gòu)填充防水超細(xì)玻璃棉后的整體效果圖如圖8所示。

圖8 光纖補(bǔ)償干涉儀整體實(shí)物圖

3 效果驗(yàn)證

通過(guò)圖1所示的光路測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)相位噪聲的測(cè)量。

測(cè)試采用新型補(bǔ)償干涉儀的系統(tǒng)相位噪聲，同時(shí)與采用舊結(jié)構(gòu)補(bǔ)償干涉儀的系統(tǒng)相位噪聲進(jìn)行比較，為圖9(a)所示的兩種情況下的趨勢(shì)圖。其中圖9(a)的曲線A為舊結(jié)構(gòu)補(bǔ)償干涉儀的系統(tǒng)相位噪聲，具體數(shù)值見圖9（b），其中圖9(a)的曲線B為新結(jié)構(gòu)補(bǔ)償干涉儀的系統(tǒng)相位噪聲，具體數(shù)值見圖9（c）。

圖9 系統(tǒng)噪聲

表1 新舊干涉儀下幾個(gè)頻點(diǎn)的噪聲值

原樣機(jī)舊補(bǔ)償干涉儀下測(cè)試的系統(tǒng)噪聲、新改進(jìn)干涉儀下測(cè)試的系統(tǒng)噪聲譜線見圖9所示，表1為兩者在幾個(gè)頻點(diǎn)的噪聲值對(duì)比：

應(yīng)用于某項(xiàng)目中，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)采用新型結(jié)構(gòu)補(bǔ)償光纖干涉儀后，整個(gè)系統(tǒng)的本底噪聲得到了降低，1 kHz位置降低了約16 dB，100 Hz位置降低了約15 dB，提高了系統(tǒng)的探測(cè)性能。

［1］孟克.光纖干涉測(cè)量技術(shù)［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)出版社，2008.

［2］康玉成.建筑隔聲設(shè)計(jì)-空氣隔聲技術(shù)［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004.

［3］馬大猷.噪聲與振動(dòng)控制工程手冊(cè)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［4］GJB 6412-2008.艦船用鋼絲繩隔振器規(guī)范［S］.

［5］駱意.新型鋼絲繩隔振器設(shè)計(jì)及其特性研究［D］.重慶：重慶大學(xué)，2012.