同振型三軸光纖矢量水聽器設(shè)計與實現(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，它可以分為標量和矢量水聽器，其差異在于矢量水聽器具有指向性而標量水聽器并無明顯的指向性。光纖矢量水聽器已被應(yīng)用在水聲學和空氣聲學的各個領(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聲納、水下定位導航、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，加速度靈敏度達到40dB re 1rad/g，產(chǎn)品計劃做到加速度靈敏度≥40dB re 1rad/g的指標，指向性達到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行干涉，干涉光信號經(jīng)光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號，再進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，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)計與制作

本文設(shè)計、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個彈性體，6個固定件，1個質(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 進行仿真，矢量水聽器外徑是100mm、黃銅薄壁彈性體長度25mm 時，諧振頻率是1690Hz；外徑變更為80mm、彈性體長度16mm 時，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降低，需要按照實際應(yīng)用設(shè)計。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，若按照實際的500 圈光纖來計算，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)按照實際500 圈來計算，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)計要求。

3 實驗結(jié)果

為保證同振型光纖矢量水聽器準確地對聲介質(zhì)振動進行測量，必須保證矢量水聽器盡可能不受影響的與質(zhì)點一起振動，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，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。標準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，標準聲壓水聽器，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準壓電水聽器標定矢量水聽器每個維度的聲壓靈敏度，然后根據(jù)聲壓與加速度靈敏度的轉(zhuǎn)換公式計算出矢量水聽器每個維度的加速度靈敏度，進而求出指向性。測試時X、Y、Z 三個軸，每個軸旋轉(zhuǎn)360°，每10°采集一次數(shù)據(jù)，共采集36個點數(shù)據(jù)，繪制指向性圖，實驗測得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)），靈敏度波動小于±1.5dB。指向性約為26dB。實驗測試結(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，可以滿足工程項目的需要。