ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК НАПРАВЛЕННОСТИ СДВОЕННОГО ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ГИДРОФОНА

Предмет исследования. Приведены результаты моделирования и экспериментального исследования характеристики направленности сдвоенного волоконно-оптического гидрофона на различных акустических частотах. Использование нескольких волоконно-оптических преобразователей в конструкции волоконно-оптического гидрофона, размещенных в едином чувствительном плече интерферометра, позволяет естественным образом добиться увеличения чувствительности волоконно-оптического гидрофона без изменения параметров материалов волоконно- оптических преобразователей. В простейшем случае волоконно-оптический гидрофон может быть построен на основе двух разнесенных в пространстве акустических преобразователей. Однако подобное разнесение неизбежно приводит к появлению неравномерности характеристики направленности на акустических частотах, длины волн которых соизмеримы с размерами системы преобразователей. Метод. Создана математическая модель, и на ее основе в среде Mathcad выполнено исследование системы из двух акустических преобразователей. Получены расчетные характеристики направленности системы из двух акустических преобразователей в зависимости от частоты акустического воздействия и расстояния между чувствительными элементами. Для подтверждения корректности математической модели и результатов проведенного теоретического анализа направленности изготовлен и экспериментально исследован сдвоенный волоконно-оптический гидрофон на брэгговских решетках, состоящий из двух последовательно сваренных между собой чувствительных элементов, расположенных на расстоянии 9 см. Испытания опытного образца проведены в условиях открытой воды, исключающих переотражения акустического сигнала. Исследуемый волоконно-оптический гидрофон размещался на устройстве, обеспечивающем круговое вращение приемника относительно акустического излучателя. Записанные данные представляли собой последовательность 32-битных цифровых отсчетов, следующих на частоте дискретизации 100 кГц. Данные об амплитудах измеряемого сигнала получены после обработки записанного сигнала в среде MATLAB. Оценка амплитуды измеряемого фазового сигнала, а также построение характеристик направленности исследуемого образца осуществлялись на частотах 1000, 3000 и 8000 Гц. Основные результаты. Чувствительность сдвоенного волоконно- оптического гидрофона составила 5,5 рад/Па на частоте сигнала 1 кГц, 0,77 рад/Па на частоте 3 кГц и 0,42 рад/Па на частоте 8 кГц. Сопоставление расчетных значений и экспериментальных результатов подтвердило корректность предложенной модели. Показана возможность увеличения чувствительности волоконно-оптического гидрофона за счет использования в его конструкции нескольких преобразователей без изменения характеристики направленности в области низких частот до 3 кГц. На частотах, выше 3 кГц, сдвоенный волоконно-оптический гидрофон предложенной конструкции приобретает выраженные направленные свойства. Практическая значимость. Результаты работы могут найти применение при проектировании волоконно-оптических гидроакустических приемников, позволяющих сочетать в себе компактность и высокую чувствительность. 

1. Ефимов М.Е., Плотников М.Ю., Куликов А.В. Моделирование и экспериментальное исследование чувствительного элемента волоконно-оптического гидрофона // Научно-технический вестник ин-формационных технологий, механики и оптики. 2014. № 5 (93). С. 158–163.
2. Ефимов М.Е., Плотников М.Ю., Куликов А.В. Моделирование и исследование чувствительного элемента волоконно-оптического гидрофона // Сборник тезисов докладов конгресса молодых ученых, выпуск 4. СПб.: Университет ИТМО, 2014. С. 365–366.
3. Лиокумович Л.Б. Поляризационные эффекты в волоконных интерферометрах на основе двулучепреломляющих световодов: автореф. дис. … д-ра физ.-мат. наук. СПб., 2008. 32 с.
4. Свердлин Г.М. Гидроакустические преобразователи и антенны. Л.: Судостроение, 1988. 200 с.
5. 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.
6. Fiber Optic Hydrophones. Stockbridge, 2011. 5 p.
7. Cox B.T., Zhang E.Z., Laufer J.G., Beard P.C. Fabry Perot polymer film fibreoptic hydrophones and arrays for ultrasound field characterization // Journal of Physics: Conference Series. 2004. V. 1. P. 32–37. doi: 10.1088/1742-6596/1/1/009
8. Плотников М.Ю. Волоконно-оптический гидрофон: автореф. дис. … канд. техн. наук. СПб.: НИУ ИТМО, 2014. 23 с.
9. Doyle С. Fiber Bragg Grating Sensors. An Introduction to Bragg gratings and interrogation techniques [Электронный ресурс]. Smart Fibres Ltd., 2003. Режим доступа: http://www.smartfibres.com/Attachments/Smart%20Fibres%20Technology%20Introduction.pdf свобод-ный. Яз. англ. (дата обращения 19.07.2015).
10. Zhou Z., Graver T.W., Hsu L., Ou J. Techniques of advanced FBG sensors: fabrication, demodulation, en-capsulation and the structural health monitoring of bridges // Pacific Science Review. 2003. V. 5. P. 116–121.
11. 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.
12. 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. doi: 10.1121/1.2018646
13. Lurton X. An Introduction to Underwater Acoustics. Principles and Applications. 2nd ed. Springer, 2002. 724 p.
14. Hovem J.M. Underwater acoustics: propagation, devices and systems // Journal of Electroceramics. 2007. V. 19. N 4. P. 339–347. doi: 10.1007/s10832-007-9059-9
15. Urick R.J. Principles of Underwater Sound. 3rd ed. New York: McGraw-Hill, 1983. 423 p.
 

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License