CC BY
24ВКВО-2019- ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ
МЕХАНИЗМ И СВОЙСТВА ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ ВОЛОКОННЫХ ДАТЧИКОВ НА ВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ
ЗВУКА
Беловолов М.И., Парамонов В.М., Беловолов М.М.
Научный центр волоконной оптики РАН, г.Москва E-mail: bmi@fo.gpi.ru
DOI 10.24411/2308-6920-2019-16023
Волоконные приемники звука и гидрофоны подчиняются общим принципам построения и регистрации сигналов при любой конфигурации приемной антенны, имеющей размер D, и схеме включения в измерительную систему. Свойства чувствительности волоконных гидрофонов сравнивают со свойствами гидрофонов на пьезоэлектрических чувствительных элементах, которые обычно представляют собой шайбы диаметром D = 20 - 40 мм и толщиной ~ 1 мм. По условию синфазности для таких приемников акустических сигналов размер антенны D не должен превышать половины длины звуковой волны 1,в:
d < иг = №&. (1)
Отсюда следует ограничение верхней границы регистрируемых частот звука: £в < VJ2D , где Уз - скорость звука в среде распространения. Так для водной среды с V « 1500 м/с и размера акустического датчика при диметре катушки волокна D « 50 мм верхняя граничная частота составляет f ~ 15 кГц. На частотах выше 15 кГц чувствительность ухудшается. В работах /1,2/ было экспериментально обнаружено, что волоконные датчики работают и на более высоких частотах звука. В водной среде уверенно регистрировались сигналы дельфинов.
В данной работе показано, что волоконные приемники звуковых волн и гидрофоны на многовитковых элементах обладают заметной чувствительностью на высоких частотах звука вплоть до ~1 МГц, когда условие синфазности (1) уже не выполняется. Дано объяснение чувствительности к высокочастотным звуковым сигналам на основе различия механизмов чувствительности пьезокерамических и волоконных приемников звука. Обнаружен новый эффект замирания (фединга) сигнала, связанный с регистрацией на высоких частотах звука.
На рис.1 для сравнения изображены два типа датчиков звуковых волн на пьезоэлектрической пластинке (а) с посеребренными токоотводящими гранями и на многовитковом чувствительном элементе (б) - малогабаритной катушке из одномодового волокна типа SMF28e+ или CS980. Проведен анализ физики формирования выходного сигнала при воздействии поля звуковой волны в этих двух случаях, когда частота звука уже не удовлетворяет условию синфазности (1). На размере приемника звука D одновременно укладываются несколько периодов звукового воздействия с чередующимися участками сжатия/разрежения. Мы полагаем, что при рассмотрении физики воздействия звука на чувствительный элемент приемной антенны работает гидродинамическая модель, когда локальные сжатия и разряжения в пучностях звуковой волны приводят к соответствующим воздействиям на чувствительные элементы и генерируется локальный электрический сигнал на пьезоэлектрике. Вследствие того, что пьезоэлектрическй чувствительный элемент имеет посеребренные грани, индуцированные заряды сразу обобществляются и сигналы усредняются. Более того, участки сжатия и разрежения производят заряды разных знаков на обкладках и суммарный сигнал устремляется к нулю. Нескомпенсированный небольшой сигнал на пьезоэлементе датчика возможен, если звуковая волна на последнем периоде не точно накрывает чувствительное поле. Большого выходного сигнала на звуковое воздействие ждать не приходится, он не образуется. Выходной сигнал формируется за счет разностного эффекта по регистрируемому звуковому полю.
Другой механизм воздействия имеет место в случае приема многовитковым волоконным чувствительным элементом, который может иметь такие же размеры катушки D, как и пьезоэлектрический датчик. Число витков волокна в катушке гидрофона может достигать 1000 и каждый виток работает как отдельный приемный элемент, а результат суммируется N- кратно. Каждый волоконный виток приемника звукового поля ориентируется одинаково по отношению к фронту звуковой волны. Два полусегмента витка принимают звуковую волну перпендикулярно фронту, а два других полусегмента витка ориентированы параллельно фронту звуковой волны. Ясно, что эти две пары частей антенны формируют выходной сигнал по-разному. Если фронт волны
56 №6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019» www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru
ВКВ0-2019 Волоконно-оптические датчики
проходит волокно в витке параллельно, то регистрация происходит подобно точечному приемнику с максимальным быстродействием и высокой верхней регистрируемой частотой. Два других полусегмента витка ориентированы перпендикулярно фронту и работают как линейная антенна с усреднением эффекта. Максимальный сигнал на высокой частоте будет только при первой ориентации, когда волна проходит поперек волокна. В пучностях звука сигнал будет максимальный , а в узлах - нулевым.
Рис.1. К механизму регистрации звуковых волн пьезоэлектрическим датчиком (а) и волоконным гидрофоном на многовитковом чувствительном элементе (б)
При изменении угла ф приема волны, то есть при сканировании по диаграмме направленности, такой датчик на многовитковом элементе должен демонстрировать максимумы сигнала, чередующиеся с его замиранием. Для подтверждения этого эффекта мы провели сканирование диаграммы направленности по углу приема ф. На рис.2 показан вид диаграммы направленности на монохроматической частоте звука ю=20 кГц (а) и на высокой частоте ю=80 кГц (б). Видно, что в случае б) имеет место замирание сигнала, обусловленное эффектом фединга при приеме монохроматического звука волоконным гидрофоном на многовитковом чувствительном элементе.
а) б)
Рис.2. Диаграммы направленности волоконно-оптического приемника гидроакустических сигналов на частоте звука 20 кГц (а) и 80 кГц (б). Диаметр катушки чувствительного элемента 5 см
Таким образом, экспериментально подтверждена чувствительность волоконных датчиков на многовитковых элементах (катушках) вплоть до частот ~ 100 кГц, включающих область чувствительности современных сонаров и эхолотов. Обнаружен новый эффект замирания (фединга) сигналов регистрации звука на высоких частотах, обусловленный диаграммным эффектом, когда в плоскости сечения волоконной антенны укладывается четное число полуволн гидростатического сжатия и разрежения звуковой волны (рис.1 б). Диаграммный эффект фединга не наблюдается при регистрации звука пьезоэлектрическим гидрофоном.
Работа выполнена при частичной поддержке проектом РФФИ № 18-02-00658.
Литература
1. Беловолов М.И. и др., ВКВО-2017. Фотон-Экспресс, 6, 217-218 (2017)
2. BelovolovM.I. et al., OFS-17, Proceedings ofSPIE, Vol.5855, 948-951 (2005)
№6 2019 СПЕЦВЫПУСК «ФОТОН-ЭКСПРЕСС-НАУКА 2019»
www.fotonexpres.rufotonexpress@mail.ru 57
