ОПТИКО-ВОЛОКОННЫЙ ГИДРОФОН Российский патент 1996 года по МПК H04R1/44 

Изобретение относится к гидроакустике и может быть использовано для измерений уровней звукового давления различных гидроакустических сигналов в натурных водоемах и лабораторных гидроакустических бассейнах.

Известен оптико-волоконный гидрофон [1] работа которого основана на изменении коэффициента отражения света на границе оптический волновод жидкая среда под действием акустической волны.

Недостатком известного гидрофона является влияние на его работу изменений физических параметров жидкой среды: температуры, солености, давления.

Известен оптико-волоконный гидрофон, содержащий когерентный источник света, первый и второй фотоприемники, предметную и опорную волоконные катушки первого интерферометра, первое фазосдвигающее устройство, установленное в одном из оптических плеч первого интерферометра, и регистратор [2]
Данный оптико-волоконный гидрофон интерференционного типа принят за прототип. Расположив предметную и опорную катушки интерференционного гидрофона в жидкой среде и воздействуя акустическими волнами только на предметную катушку волоконного интерферометра, можно избавиться от недостатка аналогов [1] заключающегося во влиянии на результаты измерений гидрофизических параметров жидкой среды.

Однако прототипу [2] (также как и аналогу) присущи недостатки, заключающиеся во влиянии на результаты измерений мелкомасштабных пульсаций гидрофизических параметров среды, например пульсаций плотности, температуры, солености.

Техническим результатом, который может быть получен при реализации изобретения, является устранение влияния на результаты измерений гидрофизических помех, пульсационного характера.

Данный технический результат достигается тем, что в известный оптико-волоконный гидрофон, содержащий когерентный источник света, первый и второй фотоприемники, предметную и опорную волоконные катушки первого интерферометра, первое фазосдвигающее устройство, установленное в одном из оптических плеч первого интерферометра, и регистратор, введены линия задержки, коррелятор, предметная и опорная волоконные катушки второго интерферометра, второе фазосдвигающее устройство, установленное в одном из плеч второго интерферометра, причем когерентный источник света оптически согласован с предметными и опорными волоконными катушками обоих интерферометров, предметная катушка первого интерферометра расположена на заданном расстоянии от предметной волоконной катушки второго интерферометра соосно ей, первый фотоприемник оптически согласован с волоконными катушками первого волоконного интерферометра и подключен через линию задержки к первому входу коррелятора, второй фотоприемник оптически согласован с волоконными катушками второго интерферометра и подключен к второму входу коррелятора, выход которого соединен с регистратором.

Предметные волоконные катушки обоих интерферометров могут быть закреплены на внешней поверхности введенной полой конусной подложки, а опорные волоконные катушки на ее внутренней поверхности.

На фиг.1 представлена принципиальная схема оптико-волоконного гидрофона; на фиг. 2 вариант выполнения монтажной схемы гидрофона; на фиг.3 временная диаграмма, поясняющая работу гидрофона.

Оптико-волоконный гидрофон содержит два волоконных интерферометра, каждый из которых включает предметные волоконные катушки 1, 2 и опорные волоконные катушки 3, 4, оптически связанные с когерентным источником света 5 (например, полупроводниковым лазером) через выходные оптические устройства 6, 7. Длина волокон в предметных и опорных катушках по возможности выбирается одинаковой.

Каждый из интерферометров включает также фотоприемники 8, 9 (например, фотодиоды), оптически связанные с волоконными катушками 1, 2, 3, 4 через выводные оптические устройства 10, 11. Опорные волоконные катушки содержат фазосдвигающие устройства 12, 13, выполненные, например, в виде пьезоцилиндров, на боковую поверхность которых с натягом намотана часть волокна опорной катушки.

Предметные волоконные катушки 1, 2 расположены соосно (фиг.2) и на известном расстоянии l друг от друга. Опорные волоконные катушки 3, 4, располагающиеся в исследуемой среде, защищены звуконепрозрачным экраном 14.

Выходы фотоприемников 8, 9 подключены к двум входам коррелятора 15, причем выход фотоприемника 9 подключен к входу коррелятора 15 через линию 16 задержки. Выход коррелятора 15 соединен с входом регистратора 17.

Оптические элементы 1, 3, 5, 7, 9, 11, 13 образуют первый волоконный интерферометр с предметным (1) и опорным (3) оптическими плечами. Оптические элементы 2, 4, 5, 6, 8, 10, 12 образуют второй волоконный интерферометр с аналогичными оптическими плечами (2, 4). Фазосдвигающие устройства 12, 13 располагаются вне исследуемой среды.

В частном случае предметные волоконные катушки 1, 2 интерферометров располагают на внешней поверхности полого конуса 18 (фиг.2), а опорные 3, 4 на внутренней поверхности этого же полого конуса 18. В этом случае первая катушка 1 не экранирует от акустических волн вторую катушка 2, а опорные катушки 3, 4 полностью экранируются от акустических волн, но при этом находятся в той же среде, что и предметные катушки 1, 2.

Длина волокна в предметных катушках выбирается одинаковой.

Оптико-волоконный гидрофон работает следующим образом. Ориентируют гидрофон в жидкой среде таким образом, чтобы предметная катушка 1 располагалась первой по отношению к распространяющимся вдоль оси ОО' (фиг.2) звуковым волнам. С помощью фазосдвигающих устройства 12, 13 устанавливают начальную разность фаз между интерферирующими лучами в каждом из интерферометров такой, чтобы рабочая точка А (фиг.3) на выходных кривых 19 интерферометров устанавливалась в месте наибольшей кривизны и линейности.

Устанавливают время задержки линии 16 задержки равной t l/c, где с скорость звука.

Звуковая волна 20, воздействуя поочередно на предметные волоконные катушки 1, 2, вызывает сжатие волокон катушки и изменение их показателя преломления и длины. При этом начальная разность фаз между интерферирующими лучами изменяется и на выходах интерферометров через время t l/с появляются сигналы 21 и 22 (фиг.3).

Одновременно с полезным сигналом 20 на вход оптико-волоконного гидрофона поступают многочисленные пульсационные гидрофизические помехи, также вызывающие на выходах интерферометров сигналы. Однако появление гидрофизических помех на входах интерферометров носит случайный характер. Так если гирофон расположен в потоке жидкости или перемещается относительно ее со скоростью v, то сигнал, относящийся к помехе, появится на выходе второго интерферометра через время t₁l/v после его появления на выходе первого интерферометра. Исходя из этого полезный сигнал 20 можно легко выделить из помех с помощью коррелятора 15 и линии 16 задержки и зарегистрировать регистратором 17.

Гидрофизические помехи стационарного характерна (или крупномасштабные пульсации гидрофизических параметров) не будут оказывать влияния на результаты измерений гидрофона, поскольку предметные 1, 2 и опорные 3, 4 волоконные катушки интерферометров находятся в одной и той же жидкой среде.

Таким образом, оптико-волоконный гидрофон позволяет измерять уровень давления гидроакустических волн не только в лабораторных, но и в натурных условиях в присутствии многочисленных гидрофизических помех.

Использование: гидроакустика. Сущность изобретения: гидрофом содержит когерентный источник света, предметные и опорные волоконные катушки первого и второго интерферометра, два фазосдвигающих устройства, каждое из которых установленно в одном из оптических плеч соответствующего интерферометра, два фотоприемника, согласованных с волоконными катушками соответствующих интерферометров. Один кореллятор, выход которого соединен с регистратором, первый вход подключен к первому фотоприемнику через линию задержки и второму фотоприемнику непосредственно. Предметные катушки интерферметров расположены соосно на заданном расстоянии друг от друга. 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

Оптико-волоконный гидрофон, содержащий когерентный источник света, первый и второй фотоприемники, предметную и опорную волоконные катушки первого интерферометра, первое фазосдвигающее устройство, установленное в одном из оптических плеч первого интерферометра, регистратор, отличающийся тем, что в него введены линия задержки, коррелятор, предметная и опорная волоконные катушки второго интерферометра, второе фазосдвигающее устройство, установленное в одном из оптических плеч второго интерферометра, причем когерентный источник света оптически согласован с предметными и опорными волоконными катушками обоих интерферометров, предметная волоконная катушка первого интерферометра расположена на заданном расстоянии от предметной волоконной катушки второго интерферометра соосно с ней, первый фотоприемник оптически согласован с волоконными катушками первого волоконного интерферометра и подключен через линию задержки к первому входу коррелятора, второй фотоприемник оптически согласован с волоконными катушками второго интерферометра и подключен к второму входу коррелятора, выход которого соединен с регистратором.