УДК681.2.087

МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ГИДРОФОНА

Плотников М.Ю., Куликов А.В., Ефимов М.Е.


Читать статью полностью 

Аннотация

 Предложена модель волоконно-оптического чувствительного элемента гидрофона. Конструкция гидрофона содержит податливый сердечник из полимерного материала с регламентированными упругими свойствами, на который намотано оптическое волокно. При моделировании использован встроенный модуль среды Comsol Multiphysics – Acoustic Solid Interaction, позволяющий оценить воздействие акустического поля различной частоты и амплитуды на величину деформации поверхности чувствительного элемента. Предложенная модель позволяет имитировать работу гидрофона в различных средах, материалы и размеры чувствительного элемента выбираются на этапе проектирования с целью обеспечения требуемых эксплуатационных характеристик – частотной характеристи- ки и чувствительности волоконно-оптического гидрофона. Правильность построения модели проверена сопоставлением результатов компьютерного моделирования и экспериментального исследования макета в акустическом бассейне. Макет представлял собой волоконный фазовый интерферометрический гидрофон на брэгговских решетках. Чувствительный элемент выполнен в виде цилиндрического сердечника, на который намотано оптическое волокно. Характеристики сердечника: показатель затухания материала (damping) – 0,1, модуль Юнга сердечника – 6 МПа, коэффициент Пуассона–0,49. Макет испытан в экспериментальном бассейне, конструкция которого позволяет проводить измерения на частотах выше 3000 Гц при отсутствии переотражений акустического сигнала. Оценка воздействия акустического поля проведена с помощью аттестованного пьезоэлектрического гидрофона: амплитуда акустического поля плоской волны 0,5 и 1 Па, частоты акустического воздействия  3000–8000 Гц. Согласно полученным результатам, чувствительность изготовленного макета составила 0,1 рад/Па на частоте 3000 Гц. Исследования  показали, что чувствительность моделируемого волоконно- оптического гидрофона будет уменьшаться с ростом частоты гидроакустического воздействия. На частоте 8000 Гц чувствительность снижается до 0,01 рад/Па. Результаты макетных испытаний подтвердили адекватность компьютерной модели, что дает возможность рекомендовать предложенную модель при разработке и исследовании волоконно-оптических гидрофонов.


Ключевые слова:  волоконно-оптический гидрофон, моделирование, Comsol Multiphysics, чувствительность.

Благодарности. Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (проект №02.G25.31.0044).

Список литературы
1. Рыбянец А.Н., Сахненко В.П. Современное состояние и перспективы развития пьезоэлектрической
керамики за рубежом // Микросистемная техника. 2002. № 3. С. 16–22.
2. Варжель С.В., Куликов А.В., Брунов В.С., Асеев В.А. Метод понижения коэффициента отражения во-
локонных брэгговских решеток с помощью эффекта фотохромизма // Научно-технический вестник
информационных технологий, механики и оптики. 2012. № 1 (77). С. 151–152.
3. Fiber Optic Hydrophones. Stockbridge: 2011. 5 p.
4. Wurster C., Staudenraus J., Eisenmenger W. Fiber optic probe hydrophone // Proc. of the IEEE Ultrasonics
Symposium. 1994. V. 2. P. 941–944.
5. Cole J.H., Kirkendall C., Dandridge A., Cogdell G., Giallorenzi T.G. Twenty-five years of interferometric fiber
optic acoustic sensors at the naval research laboratory // Washington Academy of Sciences. 2004. P. 40–57.
6. Куликов А.В. Волоконно-оптические акустические сенсоры на брэгговских решетках: автореф. дис. …
канд. техн. наук. СПб: НИУ ИТМО, 2012. 20 с.
7. Bucaro J.A., Lagakos N., Cole J.H., Giallorenzi T.G. Fiber optic acoustic transduction // Physical Acoustics.
1982. V. 16. P. 385–457.
8. Giallorenzi T.G., Bucaro J.A., Dandridge A., Sigel G.H. Jr., Cole J.H., Rashleigh S.C., Priest R.G. Optical
fiber sensor technology // IEEE Journal of Quantum Electronics. 1982. V. QE-18. N 4. P. 626–665.
9. Guo K., Zhang M., Liao Y., Lai S., Wang Z., Tang J. Fiber-optic hydrophone with increased sensitivity
// Proceedings of SPIE – The International Society for Optical Engineering. 2006. V. 6293. Art. 629312.
10. Acoustic-Structure Interaction [Электронный ресурс]. 2012. Режим доступа:
https://www.comsol.com/model/download/121005/models.aco.acoustic_structure.pdf, свободный. Яз. англ.
(дата обращения 10.05.2014).
11. Wang Y., Wang C. Simulation of high-sensitivity hydrophone based on ANSYS // Proc. of International Conference
on Mechanical Engineering and Material Science (MEMS 2012). 2012. P. 697–699.
12. Jameson P., Jameson P., Burton T., Ordubadi A., Africk S. Design of rubber mandrel fiber optic hydrophones
// Journal of Acoustical Society of America. 1981. V. 70. P. 100.
13. Аксарин С.М., Архипов С.В., Варжель С.В., Куликов А.В., Стригалев В.Е. Исследование зависимости
параметров анизотропных одномодовых волоконных световодов от диаметра намотки // Научно-
технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2013. № 6 (88). С. 22–26.
14. Балицкий В.А., Городецкий В.С., Лямшев Л.М. и др. // Акустический журнал. 1985. Т. 31. № 5. С. 47.
15. Бутусов М.М., Латинский В.С., Тарасюк Ю.Ф., Галкин С.Л. Волоконная оптика в судовом приборо-
строении. Л.: Судостроение, 1990. 82 с.


Creative Commons License

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License
Информация 2001-2019 ©
Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики.
Все права защищены.

Яндекс.Метрика