Разработка и исследование защитного корпуса для волоконно-оптического гидрофона Текст научной статьи по специальности «Физика»

НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИИ ВЕСТНИК ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИИ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ сентябрь-октябрь 2017 Том 17 № 5 ISSN 2226-1494 http://ntv.i1mo.ru/

SCIENTIFIC AND TECHNICAL JOURNAL OF INFORMATION TECHNOLOGIES, MECHANICS AND OPTICS September-October 2017 Vol. 17 No 5 ISSN 2226-1494 http://ntv.ifmo.ru/en

УДК 681.787+004.942

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАЩИТНОГО КОРПУСА ДЛЯ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО ГИДРОФОНА

М.Ю. Плотников", А.В. Волков", С.С. Киселев", Е.А. Храмченко"

a Университет ИТМО, Санкт-Петербург, 197101, Российская Федерация Адрес для переписки: [email protected]

Информация о статье

Поступила в редакцию 10.07.17, принята к печати 15.08.17 doi: 10.17586/2226-1494-2017-17-5-767-774 Язык статьи - русский

Ссылка для цитирования: Плотников М.Ю., Волков А.В., Киселев С.С., Храмченко Е.А. Разработка и исследование защитного корпуса для волоконно-оптического гидрофона // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2017. Т. 17. № 5. С. 767-774. doi: 10.17586/2226-1494-2017-17-5-767-774

Аннотация

Предмет исследования. Разработан и исследован защитный корпус для волоконно-оптического гидрофона, входящего в состав действующего макета донной сейсмической станции. Волоконно-оптический гидрофон построен на основе интерферометра Маха-Цендера. Чувствительное плечо намотано на эластичный сердечник, изготовленный из материала, усиливающего гидроакустическую чувствительность оптического волокна. Разработанный корпус предназначен для защиты чувствительного оптического волокна от возможных механических повреждений и пропускает акустические сигналы в водной среде без ослабления в рабочей полосе частот волоконно-оптического гидрофона (до 8 кГц). Метод. При проектировании защитного корпуса с требуемыми характеристиками применены расчеты, основные на теории резонатора Гельмгольца. Математическое моделирование выполнено методом конечных элементов в среде Comsol Multiphysic. Построенные модели позволили определить конструкцию защитного корпуса, пропускающего акустические сигналы в заданной полосе частот. Основные результаты. Конструкция защитного корпуса представляет собой алюминиевый цилиндр с внешним радиусом 30 мм, высотой 14 см с толщиной стенок 1 мм и содержащего 1900 отверстий радиусом 1 мм. Моделирование конструкции корпуса в водной среде продемонстрировало его акустическую прозрачность на частотах до 8 кГц. Конструкция защитного корпуса изготовлена и исследована в составе действующего макета донной сейсмической станции. Результаты эксперимента подтвердили акустическую прозрачность защитного корпуса в требуемом диапазоне частот. Практическая значимость. Результаты работы могут найти применение при разработке и создании защитных корпусов волоконно-оптических гидрофонов с заданными частотными характеристиками. Разработанный защитный корпус используется в действующем макете сейсмической донной станции и обеспечивает защиту оптического волокна в чувствительном элементе волоконно-оптического гидрофона от механических воздействий, не влияя на его амплитудно-частотные характеристики. Ключевые слова

волоконно-оптический гидрофон, защитный корпус, резонатор Гельмгольца, акустический фильтр, сейсмическая

донная станция

Благодарности

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (проект №03.G25.31.0245).

DEVELOPMENT AND RESEARCH OF FIBER-OPTIC HYDROPHONE

PROTECTIVE HOUSING M.Y. Plotnikov", A.V. Volkov", S.S. Kiselev", E.A. Khramchenko"

a ITMO University, Saint Petersburg, 197101, Russian Federation Corresponding author: [email protected]

Article info

Received 10.07.17, accepted 15.08.17 doi: 10.17586/2226-1494-2017-17-5-767-774 Article in Russian

For cation: Plotnikov M.Y., Volkov A.V., Kiselev S.S., Khramchenko E.A. Development and research of fiber-optic hydrophone protective housing. Scientific and Technical Journal of Information Technologies, Mechanics and Optics, 2017, vol. 17, no. 5, pp. 767-774 (in Russian). doi: 10.17586/2226-1494-2017-17-5-767-774

Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики, 2017, том 17, № 5

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАЩИТНОГО КОРПУСА

Abstract

Subject of Research. The subject of research is the protective housing for the fiber-optic hydrophone that is a part of the working model of the ocean seismic bottom station. The fiber-optic hydrophone is built on the base of Mach-Zehnder interferometer. Its sensitive arm is wounded on the elastic mandrel. The mandrel material increases acoustic pressure sensitivity of the optical fiber. The developed housing is designed to protect the sensitive optical fiber from mechanical damage. The housing also passes the acoustic signals in water without attenuation in the work frequency range of the fiberoptic hydrophone up to 8 kHz. Method. The theoretical calculations, based on the Helmholtz resonator theory, and mathematical modeling by the finite element method in the ComsolMultiphysics environment were used to develop the protective housing with required parameters. Created models enabled the definition of the protective housing final construction that passes acoustic signals in the required frequency range. Main Results. As a result of mathematical modeling the final construction of the protective housing was chosen. The construction is based on the aluminum cylinder with the external radius equal to 30 mm, the height - 14 cm and the wall thickness - 1 mm and it contains 1900 holes with the radius equal to 1 mm. During the modeling the frequency response of the protective housing was obtained; this response demonstrated its acoustic transparency in water at frequencies up to 8 kHz. The chosen protective housing was fabricated and studied in the working model of the ocean seismic bottom station. Experiment results confirmed the acoustic transparency of the protective housing in the required frequency range. Practical Relevance. The results of this work might be used for the developing and creating of protective housings for fiber-optic hydrophones with the required frequency responses. The developed protective housing is used in the working model of the ocean seismic bottom station and it provides the mechanical protection of the optical fiber in the sensitive element of the fiber optic-hydrophone without distortion of its frequency response. Keywords

fiber-optic hydrophone, protective housing, Helmholtz resonator, acoustic filter, ocean seismic bottom station Acknowledgements

This research was carried out at ITMO University and was supported by the Ministry of Education and Science of the Russian Federation (Project No.03.G25.31.0245).

В течение нескольких последних десятилетий волоконно-оптические гидрофонные системы все активней используются в геофизической разведке полезных ископаемых на морском шельфе, системах подводной охраны периметра и гидроакустической связи [1-3]. Конструкция волоконно-оптических гидрофонов может существенно отличаться в зависимости от направления их применения, в частности, в буксируемых гидроакустических антеннах могут использоваться тонкие «протяженные» волоконно-оптические гидрофоны [4, 5], а одиночные волоконно-оптические гидрофоны обычно имеют «точечное» исполнение [6-8].

Оптическая часть одиночных волоконно-оптических гидрофонов представляет собой волоконно-оптический интерферометр, чувствительное плечо которого наматывается на сердечник, изготовленный из материала, обеспечивающего высокую чувствительность гидрофона к акустическому давлению [9-11]. Аналогичный волоконно-оптический гидрофон, построенный на основе интерферометра Маха-Цендера, входит в состав действующего макета донной сейсмической станции [12-14].

Для обеспечения максимальной чувствительности волоконно-оптического гидрофона его чувствительный элемент с намотанным на него чувствительным плечом интерферометра должен подвергаться прямому воздействию акустического давления. В то же время чувствительный элемент должен быть максимально защищен от механических воздействий для обеспечения целостности оптического волокна и сохранения работоспособности волоконно-оптического гидрофона.

Таким образом, возникает задача защиты чувствительного элемента от механических воздействий с обеспечением акустической прозрачности защитного корпуса в рабочей полосе частот волоконно-оптического гидрофона. Настоящая работа посвящена разработке, созданию и экспериментальному исследованию защитного корпуса для волоконно-оптического гидрофона.

Согласно работам [15-17], защитный корпус для волоконно-оптического гидрофона может быть построен на основе полого цилиндра с отверстиями. Подобный цилиндр, как и любой другой объем с отверстием, представляет собой резонатор Гельмгольца [18, 19]. Одним из основных параметров такого цилиндрического резонатора является его резонансная частота, которую можно определить по следующей формуле [20]:

где /0 - собственная частота резонатора, Гц; с - скорость звука в среде, м/с; 50 - площадь отверстия, м2; 1с - эффективная длина горла резонатора, м; V - внутренний объем резонатора, м3; Ь - высота резонатора (цилиндра), м.

Чувствительный элемент волоконно-оптического гидрофона в донной сейсмической станции представляет собой сердечник длиной 12 см и диаметром 48 мм [21], выполненный из эластичного материала

Введение

Математическое моделирование защитного корпуса

(1)

Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики,

2017, том 17, № 5