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柔顺型光纤光栅水听器阵列理论与实验研究

祝苗 顾宏灿 宋文章

祝苗, 顾宏灿, 宋文章. 柔顺型光纤光栅水听器阵列理论与实验研究[J]. 中国光学(中英文), 2023, 16(2): 366-372. doi: 10.37188/CO.2022-0079
引用本文: 祝苗, 顾宏灿, 宋文章. 柔顺型光纤光栅水听器阵列理论与实验研究[J]. 中国光学(中英文), 2023, 16(2): 366-372. doi: 10.37188/CO.2022-0079
ZHU Miao, GU Hong-can, SONG Wen-zhang. Theoretical and experimental research on flexible fiber grating hydrophone array[J]. Chinese Optics, 2023, 16(2): 366-372. doi: 10.37188/CO.2022-0079
Citation: ZHU Miao, GU Hong-can, SONG Wen-zhang. Theoretical and experimental research on flexible fiber grating hydrophone array[J]. Chinese Optics, 2023, 16(2): 366-372. doi: 10.37188/CO.2022-0079

柔顺型光纤光栅水听器阵列理论与实验研究

doi: 10.37188/CO.2022-0079
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(No.11774432)
详细信息
    作者简介:

    祝 苗(1992—),男,湖北十堰人,硕士研究生,2014年于海军航空工程学院获得学士学位,现为海军工程大学兵器工程学院硕士研究生,主要从事光纤传感技术的研究。E-mail:531122528@qq.com

    顾宏灿(1980—),男,江苏靖江人,副教授,硕士生导师,2001年、2003年、2008年于海军工程大学分别获得学士、硕士、博士学位,现为海军工程大学兵器工程学院副教授,主要从事光纤传感技术的研究。E-mail:tanktomb@163.com

    宋文章(1989—),男,黑龙江哈尔滨人,博士研究生,2012年于哈尔滨工程大学获得学士学位,2014年于海军工程大学获得硕士学位,现为海军工程大学兵器工程学院博士研究生,主要从事光纤传感技术的研究。E-mail:820234424@qq.com

  • 中图分类号: TN253

Theoretical and experimental research on flexible fiber grating hydrophone array

Funds: Supported by National Natural Science Foundation of China (No. 11774432)
More Information
  • 摘要:

    为提升光纤水听器拖曳线阵列的适装性,提出一种柔顺型光纤光栅水听器阵列。根据力学理论模型计算3种柔顺型光纤光栅水听器声压灵敏度,比较分析其影响因素,通过有限元仿真进行频响分析,研制了直径分别为10 mm、12 mm和16 mm的2元柔顺型光纤光栅水听器样阵,采用振动液柱法实验测试其灵敏度。实验结果表明:柔顺型光纤光栅水听器在200~800 Hz的频率范围内响应平坦,不同结构参数的水听器阵列平均声压灵敏度分别为−138.90 dB、−134.71 dB、−136.12 dB,验证了理论与仿真分析的正确性。按照本文的设计,通过进一步优化材料和结构参数,采用弱反射光纤光栅,可以构建数百阵元的一体化柔顺型水听器阵列。

     

  • 图 1  光纤布拉格光栅水听器系统原理图

    Figure 1.  Schematic diagram of FBG hydrophone system

    图 2  柔顺型光纤光栅水听器结构图

    Figure 2.  Structural diagram of flexible fiber grating hydrophone

    图 3  柔顺型光纤光栅水听器理论模型

    Figure 3.  Theoretical model of flexible fiber grating hydrophone

    图 4  声压灵敏度与缠绕光纤的弹性柱体长度的关系曲线

    Figure 4.  Relation curve of sound pressure sensitivity to length of elastic cylinder winded with fiber

    图 5  不同泊松比时,声压灵敏度与弹性柱体杨氏模量的关系曲线

    Figure 5.  Relation curves of sound pressure sensitivity to Young’s modulus of elastic cylinder at different Poisson ratios

    图 6  不同薄壁厚度时,声压灵敏度与弹性柱体内径的关系曲线

    Figure 6.  Relation curves of sound pressure sensitivity to inner diameter of elastic cylinder at different thicknesses of elastic cylinder

    图 7  8 mm×12 mm的柔顺型光纤光栅水听器一阶模态云图

    Figure 7.  First-order modal cloud image of 8 mm×12 mm flexible fiber grating hydrophone

    图 8  8 mm×12 mm的柔顺型光纤光栅水听器频响曲线

    Figure 8.  Frequency response curve of 8 mm×12 mm flexible FBG hydrophone

    图 9  2基元柔顺型光纤光栅水听器阵列及反射信号波形图

    Figure 9.  2-element flexible fiber grating hydrophone array and its reflected signal waveform

    图 10  柔顺型光纤光栅水听器阵列数据波形图

    Figure 10.  Data waveforms of flexible fiber grating hydrophone array

    图 11  315 Hz时1号水听器的解调结果

    Figure 11.  The demodulation results of No.1 hydrophone at 315 Hz

    图 12  8 mm×12 mm柔顺型光纤光栅水听器频响曲线

    Figure 12.  Frequency response curve of 8 mm×12 mm flexible fiber grating hydrophone

    图 13  柔顺型光纤光栅水听器的频响曲线

    Figure 13.  Frequency response curves of flexible fiber grating hydrophone

    表  1  水听器基元材料参数

    Table  1.   Basic material parameters of hydrophone

    材料名称E/ GPaμρ/(kg·m−3)
    PE管(高压聚乙烯)1.070.4101950
    弯曲不敏感光纤190.341400
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    表  2  柔顺型光纤光栅水听器参数及灵敏度

    Table  2.   Parameters and sensitivities of flexible fiber grating hydrophones

    规格内半径a/mm外半径b/mm薄壁厚度D/mm弹性体长度C/mm声压灵敏度/dB(re 1rad/μPa)
    8 mm×12 mm46266.31−133.99
    8 mm×10 mm45179.58−128.45
    12 mm×16 mm68249.74−130.80
    下载: 导出CSV

    表  3  不同规格的柔顺型光纤光栅水听器声压灵敏度仿真结果

    Table  3.   Simulation results of sound pressure sensitivity of flexible fiber grating hydrophones with different specifications

    光纤光栅水听器平均声压灵敏度/ dB(re 1 rad/μPa)
    8 mm×12 mm−138.63
    8 mm×10 mm−132.90
    12 mm×16 mm−135.30
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2022-04-26
  • 修回日期:  2022-06-16
  • 录用日期:  2022-07-07
  • 网络出版日期:  2022-07-14

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