CC BY
7
УДК 535.4, 681.7
РЕГИСТРАЦИЯ ГРАДИЕНТА ГИДРОАКУСТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ СИСТЕМОЙ ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИХ
АКСЕЛЕРОМЕТРОВ
О. Т. Каменев1'2, Ю.С. Петров1, А. А. Подлесных2, В. А. Колчинский1, И. Н. Завестовская3'4, Ю.Н. Кульчин1'4, Р. В. Ромашко1'2
Представлены результаты экспериментальных исследований переносной измерительной системы на основе двух инерциальных волоконно-оптических акселерометров, в которых в качестве чувствительного элемента применяется многовитковый оптомеханический преобразователь, размещенный в плече волоконно-оптического интерферометра Маха-Цендера. Пассивная фазовая демодуляция с использованием волоконно-оптического раз-ветвителя 3 х 3 обеспечивает возможность регистрации выходных сигналов интерферометра при наличии температурного дрейфа рабочей точки. Показана возможность регистрации с помощью такой системы градиента акустического и гидроакустического давления.
Ключевые слова: волоконно-оптический датчик, интерферометр, акселерометр, гидроакустический сигнал.
В работе [1] была продемонстрирована возможность регистрации гидроакустического давления инерциальным акселерометром на основе волоконно-оптического интерферометра Маха-Цендера. Было показано, что при закреплении на поверхности упругой мембраны, взаимодействующей с акустической или гидроакустической волной, акселерометр способен зарегистрировать колебания, вызванные воздействием акустического давления. Такой метод приема гидроакустических сигналов требуется применять, на-
1 Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, 690041 Россия, Владивосток, ул. Радио, 5; e-mail: romashko@iacp.dvo.ru.
2 Дальневосточный федеральный университет, 690950 Россия, Владивосток, ул. Суханова, 8.
3 ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53.
4 НИЯУ "МИФИ", 115409 Россия, Москва, Каширское ш., 31.
пример, при развертывании систем акустического мониторинга и сейсморазведки на поверхности льда [2, 3] или при размещении акселерометра внутри подводного аппарата, корпус которого является естественным приемником гидроакустических сигналов.
В настоящей работе представлена переносная измерительная система на основе двух инерциальных волоконно-оптических акселерометров, в которых в качестве чувствительного элемента применяется многовитковый оптико-механический преобразователь, размещенный в плече волоконно-оптического интерферометра Маха-Цендера. Экспериментально показана возможность регистрации с помощью такой системы градиента акустического и гидроакустического давления.
Принципиальная схема построения многовиткового оптико-механического преобразователя на основе волоконно-оптического интерферометра Маха-Цендера представлена в работе [4]. Фазовая демодуляция выходного сигнала акселерометра осуществляется с помощью метода, основанного на применении волоконно-оптического разветвителя 3 х 3 [5], сигналы на выходе трех портов которого сдвинуты по фазе на 120°. Такой подход избавляет от необходимости контроля положения рабочей точки интерферометра и обеспечивает возможность регистрации слабых сигналов даже в условиях значительных
Рис. 1: Блок-схема измерительной системы на основе волоконно-оптических акселерометров (а): ПК - персональный компьютер; АЦП - аналого-цифровой преобразователь; ИП - источник автономного электропитания; Д1, Д2 - волоконно-оптические акселерометры и их АЧХ (б).
внешних воздействий на акселерометр (ветровая нагрузка, акустические воздействия, дрейф температуры и т. д.).
На рис. 1(а) представлена блок-схема измерительной системы.
В состав системы входят два вертикальных инерциальных волоконно-оптических акселерометра, регистратор и персональный компьютер.
Применение пассивной фазовой демодуляции на основе волоконно-оптического раз-ветвителя 3 х 3 требует регистрации трех интерферометрических сигналов, сдвинутых по фазе относительно друг друга на 2п/3. Поэтому регистратор осуществляет запись шести сигналов, по три с каждого акселерометра, по которым затем восстанавливается изменение разности фаз Д^ сигнальной и опорной волн интерферометра Маха-Цендера [5]. Для разработанных акселерометров это изменение разности фаз оказывается пропорционально ускорению а поверхности мембраны, на которой закреплен акселерометр [1].
По результатам экспериментальных исследований акселерометров были построены их АЧХ при амплитуде виброускорения 0.02 м/с2 (рис. 1(б)). Как видно, чувствительность первого датчика в два раза превышает чувствительность второго. Так как в градиентном приемнике чувствительность пары датчиков должна быть одинаковой, то все полученные значения для датчика Д2 умножались на корректирующий коэффициент к, равный отношению чувствительностей второго и первого датчиков (к = 2). С учетом корректировки, чувствительность акселерометров в диапазоне частот 100-1000 Гц составила 200-1.2 рад-м-1с2. На частоте, использованной в эксперименте (630 Гц), чувствительность акселерометров составила 8 рад-м-1с2. Для перевода ускорения в акустическое/гидроакустическое давление был определен коэффициент преобразования, который для представленной измерительной системы составил величину 8.5 • 10-7 м-с-2/Па. Таким образом, чувствительность измерительной системы к давлению на частоте 630 Гц составила 6.8 • 10-6 рад/Па.
На первом этапе испытания измерительной системы проводились в воздушной среде. Схема проведения эксперимента представлена на рис. 2.
Акустический излучатель, широкополосная головка громкоговорителя электродинамического типа 3ГДШ-8, сначала размещался в точке О - на равном расстоянии от центров датчиков (точек С и В), затем в точке А - под датчиком Д1, затем в точке В - под датчиком Д2. Расстояние АС = ЕВ = 0.38 м, расстояние АВ = ВС = 0.57 м, расстояние АВ = СВ = 0.42 м.
Рис. 2: Схема экспериментальной установки для регистрации градиента акустического поля: 1 - датчик Д1; 2 - датчик Д2; 3 - металлические мембраны; 4 - стойки рамы; 5 - акустическим/гидроакустический! излучатель; 6 - бассейн (заполнялся водой на втором этапе испытаний).
На рис. 3(а) и 3(в) представлены выходные сигналы датчиков для разных положений излучателя (в т. О и в т. А).
Временной сдвиг между сигналами датчиков Д1 и Д2, равный (536± 11) мкс, наблюдаемый при размещении излучателя в точках А и В (рис. 3(в) для т. А), соответствует скорости звука в воздухе для температуры 22 °С - 344.2 м/с, что полностью согласуется с условиями проведения эксперимента.
На втором этапе испытания измерительной системы проводились в заполненном на 1 м водой бассейне с заглушенными стенками размером 1.4 х 2.8 м2. Акустический излучатель имел диаграмму направленности с шириной 120° и обеспечивал в ее центре акустическое давление 1000 Па. Аналогично процедуре, выполненной на первом этапе, излучатель сначала размещался в точке О - на равном расстоянии от датчиков, затем в точке А - под датчиком Д1, затем в точке В - под датчиком Д2. Расстояние АС = ЕВ = 0.38 м, расстояние АВ = ВС = 0.68 м, расстояние СО = 0.56 м.
На рис. 3(б) и 3(г) представлены выходные сигналы датчиков для разных положений излучателя (в т. О и т. А) при наличии воды в бассейне. Временной сдвиг между сигналами датчиков Д1 и Д2, равный (210±5) мкс, наблюдаемый при размещении излучателя в точках А и В (рис. 3(г) для т. А), соответствует скорости звука в воде для температуры 10 °С - 1447 м/с, что полностью согласуется с условиями проведения эксперимента.
Рис. 3: Выходные сигналы, зарегистрированные двумя датчиками измерительной системы, и их разность для разных положений акустического излучателя: (а), (б) - в точке О; (в), (г) - в точке А, при распространении акустической волны в воздухе (а), (в) и в воде (б), (г).
Данные разности давления ЛР4, представленные на рис. 3, используются для получения проекции градиента акустического давления на ось X, рассчитываемого как:
УРШ = |УРШ | ехр гфи
F (ЛР)
Лх ;
где В (...) - преобразование Фурье; ш = 2п/ - циклическая частота акустического поля, Лх - расстояние между центрами акселерометров (расстояние СВ).
На рис. 4 показаны значения амплитуды градиента давления |УРШ | и его фазы фш, полученные для разных положений акустического излучателя на оси X. Как видно, они с высокой степенью точности (в пределах погрешности измерения) совпадают с соответствующими данными, рассчитанными на основе геометрии эксперимента.
Рис. 4: Значения амплитуды градиента акустического давления (а) и его фазы (б) в зависимости от положения акустического излучателя, полученные с помощью измерительной системы, и рассчитанные исходя из геометрии эксперимента.
Таким образом, в работе предложена и исследована двухканальная измерительная система на основе двух инерциальных волоконно-оптических акселерометров, в которых в качестве чувствительного элемента применяется многовитковый оптико-механический преобразователь, размещенный в плече волоконно-оптического интерферометра Маха-Цендера. Экспериментально продемонстрирована возможность регистрации с помощью такой системы градиента акустического и гидроакустического давления.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 1912-00323).
ЛИТЕРАТУРА
[1] О. Т. Каменев, Ю. С. Петров, А. А. Подлесных и др., Краткие сообщения по
физике ФИАН 47(5), 30 (2020). DOI: 10.3103/s1068335620050048.
[2] Ю. Н. Кульчин, С. С. Вознесенский, Е. Л. Гамаюнов и др., Квантовая электроника
50(5), 475 (2020). D0I:10.1070/QEL17222.
[3] Ю. Н. Кульчин, О. Т. Каменев, Ю. С. Петров, Известия Российской академии
наук. Серия физическая 82(5), 556 (2018). DOI: 10.3103/S1062873818050192.
[4] О. T. Kamenev, Yu. N. Kulchin, Yu. S. Petrov, et al., Sensors and Actuators A 244,
133 (2016). DOI: 10.1016/j.sna.2016.04.006.
[5] S. K. Sheem, T. G. Giallorenzi, and K. P. Koo, Appl. Opt. 21, 689 (1982). DOI:
10.1364/AO.21.000689.
[6] D. A. Brown, C. B. Cameron, R. M. Keolian, et al., Proc. SPIE 1584, 328 (1991).
(10.1117/12.50954).
Поступила в редакцию 14 декабря 2020 г. После доработки 26 марта 2021 г. Принята к публикации 29 марта 2021 г.
