專利名稱：干涉型光纖水聽(tīng)器的制作方法
專利說(shuō)明
一、技術(shù)領(lǐng)域本實(shí)用新型涉及一種傳感器，尤其是一種應(yīng)用于潛艇、水面的聲納系統(tǒng)、海洋聲納浮標(biāo)和海岸拖曳聲納系統(tǒng)的干涉型光纖水聽(tīng)器。
二背景技術(shù)：
水聽(tīng)器主要用于供反潛和水下探聲，是現(xiàn)代海軍反潛戰(zhàn)及水下兵器試驗(yàn)的先進(jìn)檢測(cè)手段，同時(shí)也用于海洋聲學(xué)環(huán)境中聲傳播、噪聲、混響、海底聲學(xué)特性、目標(biāo)聲學(xué)特性等的監(jiān)測(cè)。
傳統(tǒng)的壓電型水聽(tīng)器的靈敏度已經(jīng)無(wú)法滿足對(duì)采取“靜音措施”的水下武器的探測(cè)要求。而光纖水聽(tīng)器具有靈敏度高、不需復(fù)雜阻抗匹配技術(shù)、不易受環(huán)境影響、防潮、抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，已取代壓電型水聽(tīng)器，廣泛應(yīng)用于聲納和反潛系統(tǒng)，成為世界各國(guó)國(guó)防研究的熱點(diǎn)。由于光纖水聽(tīng)器的重要軍事用途，在國(guó)內(nèi)外都對(duì)水聽(tīng)器的灘探頭結(jié)構(gòu)列為嚴(yán)格保密范圍，所以關(guān)于傳感結(jié)構(gòu)沒(méi)有文獻(xiàn)上可查，我國(guó)對(duì)光纖水聽(tīng)器的研究都還處在實(shí)驗(yàn)室和海試階段，還未向工程化發(fā)展。
從聲傳感基本原理來(lái)分，光纖水聽(tīng)器可分為強(qiáng)度、偏振和干涉型三種類型。其中強(qiáng)度和偏振型由于不適合組成傳感器陣列等原因，其相關(guān)研究很少，因此干涉型傳感探頭的設(shè)計(jì)方案成為主要研究方向。其主要有心軸型、平面型、橢球型、全向型和微彎型等，其最主要的研究方向?yàn)樾妮S型，其它類型是由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，靈敏度低或者抗加速度響應(yīng)性能低等原因，相關(guān)設(shè)計(jì)研究報(bào)道很少。
一個(gè)性能優(yōu)良的光纖水聽(tīng)器應(yīng)具備高的聲壓(相位)靈敏度、盡量低的加速度(相位)靈敏度，它關(guān)系到拖曳線陣聲納能否有效地抑制由拖纜抖動(dòng)、渦流及變速拖曳力等引起的振動(dòng)噪聲干擾。在實(shí)際應(yīng)用中加速度的作用主要表現(xiàn)在低頻段(20-200Hz)，光纖水聽(tīng)器在這個(gè)頻段對(duì)水聲信號(hào)探測(cè)時(shí)，必須降低其對(duì)加速度的響應(yīng)，因?yàn)樵谶@同一頻段內(nèi)，外界慣性系產(chǎn)生的加速度運(yùn)動(dòng)造成水聽(tīng)器的輸出和水聲信號(hào)引起的輸出互相迭加在一起，使信號(hào)的解調(diào)和分離非常困難，造成了光纖水聽(tīng)器的優(yōu)勢(shì)難以發(fā)揮，另外，又不能以犧牲水聽(tīng)器較高的聲壓靈敏度來(lái)獲得較低的加速度靈敏度，因此在探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上采取一定措施來(lái)降低加速度的響應(yīng)成為關(guān)鍵。傳統(tǒng)的PVDF壓電有機(jī)薄膜材料所制作的水聽(tīng)器(軸向)加速度靈敏度為-70~-80dB(0 dB ref 1V/g)，它具有很低的加速度靈敏度，但其聲壓接收靈敏度卻很低，一般為-180dB以上。對(duì)于心軸型的光纖水聽(tīng)器，其聲壓接收靈敏度高，但由于未采取降低加速度響應(yīng)措施，其加速度(軸向)靈敏度為-10~-15dB(0 dB ref 1V/g)。
三、實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型解決了背景技術(shù)中的光纖水聽(tīng)器無(wú)法同時(shí)保證較高的聲壓靈敏度和較低的加速度靈敏度的技術(shù)問(wèn)題。
本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案是本實(shí)用新型為一種光纖水聽(tīng)器，其特殊之處在于所述聲屏蔽套筒1一端設(shè)置有水聽(tīng)器主體8，另一端設(shè)置有光纖連接器12，水聽(tīng)器主體8包括參考臂3、配重片7、剛性基座4和信號(hào)臂5，參考臂3和信號(hào)臂5通過(guò)連接軸6連接，連接軸6通過(guò)剛性基座4設(shè)置在聲屏蔽套筒1上，參考臂3位于聲屏蔽套筒1內(nèi)，信號(hào)臂5位于聲屏蔽套筒1外，配重片7設(shè)置在參考臂3外端，聲屏蔽套筒1兩側(cè)內(nèi)壁上開(kāi)有耦合器槽2，耦合器槽2內(nèi)設(shè)置有耦合器9，耦合器9上引出有兩根光纖10，一根直接繞于參考臂3上，另一根則通過(guò)連接軸6上的小槽導(dǎo)出聲屏蔽套筒1繞于信號(hào)臂5上，光纖連接器12通過(guò)密封蓋11設(shè)置在聲屏蔽套筒1上。
上述參考臂3和信號(hào)臂5以剛性基座為中心對(duì)稱設(shè)置在剛性基座兩側(cè)。
上述參考臂3和信號(hào)臂5為同樣彈性材料構(gòu)成的同厚度的彈性體。
上述信號(hào)臂5內(nèi)設(shè)置有空氣腔。
上述光纖連接器12為兩個(gè)。
上述耦合器9通過(guò)剛性立柱設(shè)置在耦合器槽2內(nèi)。
本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)1、水聽(tīng)器的靈敏度高。本實(shí)用新型信號(hào)臂的彈性體采用楊氏模量較小的材料，同時(shí)引入空氣腔，采取封閉措施，其內(nèi)腔是空氣，空氣腔的引入可以增大探頭的靈敏度以及平衡靜水壓，提高水聽(tīng)器的靈敏度高。
2、加速度靈敏度響應(yīng)低。本實(shí)用新型以剛性基座為中心，傳感臂和信號(hào)臂左右對(duì)稱分布，使其二者在同樣的加速度作用下受力是相同的，即在軸向受到相同的加速度作用引起的相位差相同，另外，在聲屏蔽套筒腔內(nèi)采取調(diào)整配重片的措施來(lái)保證二者受到加速度的作用時(shí)，引起的相位大小相同，方向一致。這樣二者可以相互抵消，因此參考臂和信號(hào)臂總的相位差不會(huì)隨加速度的不同而變化，提高了對(duì)水聲信號(hào)的探測(cè)的信噪比，加速度靈敏度響應(yīng)低。
3、探頭結(jié)構(gòu)和制作工藝簡(jiǎn)單。本實(shí)用新型采用組件式設(shè)計(jì)，在對(duì)兩臂的光纖繞制時(shí)是分開(kāi)進(jìn)行，然后組裝到剛性基座上。這樣做，易于使兩臂繞制工藝要求一致，同時(shí)避免光纖發(fā)生折斷。兩臂組裝好后，再組裝兩個(gè)剛性立柱放置耦合器，然后再套上聲屏蔽套筒，安裝剛性后蓋和光纖連接頭。制作工藝簡(jiǎn)單。
四

附圖為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖。
五具體實(shí)施方式
參見(jiàn)附圖，本實(shí)用新型包括聲屏蔽套筒1，聲屏蔽套筒1一端設(shè)置有水聽(tīng)器主體8，另一端設(shè)置有光纖連接器12，水聽(tīng)器主體8包括參考臂3、配重片7、剛性基座4和信號(hào)臂5，參考臂和信號(hào)臂依靠軸的嵌套配合對(duì)稱地連接于連接軸的兩端，連接軸6通過(guò)剛性基座4設(shè)置在聲屏蔽套筒1上，參考臂3位于聲屏蔽套筒1內(nèi)，信號(hào)臂5位于聲屏蔽套筒1外，配重片置于參考臂的外端，用螺釘予以固定，聲屏蔽套筒1兩側(cè)內(nèi)壁上開(kāi)有耦合器槽2，耦合器槽2內(nèi)設(shè)置有耦合器9，耦合器9可通過(guò)剛性立柱設(shè)置在耦合器槽2內(nèi)，耦合器9上引出有兩根光纖10，一根直接繞于參考臂3上，另一根則通過(guò)連接軸6上的小槽導(dǎo)出聲屏蔽套筒1繞于信號(hào)臂5上，光纖連接器12通過(guò)密封蓋1 1設(shè)置在聲屏蔽套筒1上，光纖連接器12可為兩個(gè)。
本實(shí)用新型探頭的剛性基座4中心是受力點(diǎn)，使左右對(duì)稱，采用心軸式和內(nèi)腔設(shè)計(jì)，這樣就通過(guò)調(diào)整在聲屏蔽套筒1腔內(nèi)的配重片7來(lái)降低水聽(tīng)器的加速度靈敏度，以剛性基座4為中心左右對(duì)稱，參考臂3和信號(hào)臂5采用同樣的彈性材料，同厚度的彈性體，這樣使二者在加速度的作用下，兩臂光纖的相位變化大小相等、方向一致，互相抵消，總相位差不隨加速度作用發(fā)生變化。其中，繞制在參考臂3上的光纖處于聲屏蔽套筒1腔內(nèi)，不會(huì)受到水聲信號(hào)的調(diào)制而導(dǎo)致傳輸光的相位變化。聲屏蔽套筒1腔內(nèi)預(yù)留有空間，作用是放置多余的光纖和配重片7，這樣便于調(diào)整配重片7以達(dá)到降低加速度引起相位噪聲的目的，使兩臂在加速度的作用下產(chǎn)生的相位變化抵消。信號(hào)臂5的內(nèi)腔是空氣，空氣腔的引入是增大探頭的靈敏度以及平衡靜水壓，以達(dá)到提高水聽(tīng)器的聲壓接受靈敏度的目的，同時(shí)光纖的繞制為多層。
本實(shí)用新型通過(guò)暴露在水中的信號(hào)臂5來(lái)對(duì)水下聲場(chǎng)信息進(jìn)行探測(cè)。單縱模激光通過(guò)其中一個(gè)光纖連接器輸入到水聽(tīng)器，通過(guò)耦合器按50∶50的分光比，分別進(jìn)入?yún)⒖急?和信號(hào)臂5，參考臂3的光纖在聲屏蔽套筒1的屏蔽作用下不受水下聲場(chǎng)形成的聲壓作用的影響，而信號(hào)臂5的光纖在水下聲場(chǎng)所形成的聲壓作用下使光纖發(fā)生微形變，其導(dǎo)致在光纖中傳輸?shù)募す獾南辔话l(fā)生變化，該相位變化反映的是水下聲波信息，然后參考臂3和信號(hào)臂5的兩束光在另一個(gè)耦合器匯合進(jìn)行干涉，發(fā)生干涉后的載有水聲信息的激光通過(guò)另一個(gè)光纖連接器輸出，從水聽(tīng)器輸出的激光通過(guò)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)后期的信號(hào)處理電路處理后就得到水聲信號(hào)。
權(quán)利要求1.一種干涉型光纖水聽(tīng)器，包括聲屏蔽套筒(1)，其特征在于所述聲屏蔽套筒(1)一端設(shè)置有水聽(tīng)器主體(8)，另一端設(shè)置有光纖連接器(12)，所述水聽(tīng)器主體(8)包括參考臂(3)、配重片(7)、剛性基座(4)和信號(hào)臂(5)，所述參考臂(3)和信號(hào)臂(5)通過(guò)連接軸(6)連接，所述連接軸(6)通過(guò)剛性基座(4)設(shè)置在聲屏蔽套筒(1)上，所述參考臂(3)位于聲屏蔽套筒(1)內(nèi)，所述信號(hào)臂(5)位于聲屏蔽套筒(1)外，所述配重片(7)設(shè)置在參考臂(3)外端，所述聲屏蔽套筒(1)兩側(cè)內(nèi)壁上開(kāi)有耦合器槽(2)，所述耦合器槽(2)內(nèi)設(shè)置有耦合器(9)，所述耦合器(9)上引出有兩根光纖(10)，一根直接繞于參考臂(3)上，另一根通過(guò)連接軸(6)上的小槽導(dǎo)出聲屏蔽套筒(1)繞于信號(hào)臂(5)上，所述光纖連接器(12)通過(guò)密封蓋(11)設(shè)置在聲屏蔽套筒(1)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的干涉型光纖水聽(tīng)器，其特征在于所述參考臂(3)和信號(hào)臂(5)以剛性基座(4)為中心對(duì)稱設(shè)置在剛性基座(4)兩側(cè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的干涉型光纖水聽(tīng)器，其特征在于所述參考臂(3)和信號(hào)臂(5)為同樣彈性材料構(gòu)成的同厚度的彈性體。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的干涉型光纖水聽(tīng)器，其特征在于所述信號(hào)臂(5)內(nèi)設(shè)置有空氣腔。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的干涉型光纖水聽(tīng)器，其特征在于所述光纖連接器(12)為兩個(gè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的干涉型光纖水聽(tīng)器，其特征在于所述耦合器(9)通過(guò)剛性立柱設(shè)置在耦合器槽(2)內(nèi)。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種應(yīng)用于潛艇、聲納系統(tǒng)的干涉型光纖水聽(tīng)器。其包括聲屏蔽套筒，聲屏蔽套筒一端設(shè)置有水聽(tīng)器主體，另一端設(shè)置有光纖連接器，水聽(tīng)器主體包括參考臂、配重片、剛性基座和信號(hào)臂，參考臂和信號(hào)臂通過(guò)連接軸連接，連接軸通過(guò)剛性基座設(shè)置在聲屏蔽套筒上，參考臂位于聲屏蔽套筒內(nèi)，信號(hào)臂位于聲屏蔽套筒外，配重片設(shè)置在參考臂外端，聲屏蔽套筒兩側(cè)內(nèi)壁上開(kāi)有耦合器槽，耦合器槽內(nèi)設(shè)置有耦合器，耦合器上引出有兩根光纖，一根直接繞于參考臂上，另一根通過(guò)連接軸上的小槽導(dǎo)出聲屏蔽套筒繞于信號(hào)臂上，光纖連接器通過(guò)密封蓋設(shè)置在聲屏蔽套筒上。其解決了目前的光纖水聽(tīng)器無(wú)法同時(shí)保較高的聲壓靈敏度和較低的加速度靈敏度的技術(shù)問(wèn)題。
文檔編號(hào)G01H9/00GK2729667SQ20042008594
公開(kāi)日2005年9月28日 申請(qǐng)日期2004年9月14日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月14日
發(fā)明者鄭黎, 何俊華, 鄭承棟, 潘平, 董曉娜 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所