2007年第 2期 声学与电子工程 总第 86期
空气背衬芯轴型光纤水听器声压
相移灵敏度的优化设计
白琳琅 葛辉良 彭会斌
(1第七一五研究所,杭州,:31 0012;2海军驻上海水声导航军代
表
关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf
室,上海,20008:3)
籀要:分别采用解析法和有限元法对空气背衬芯轴型光纤水听器的声压相移灵敏度进行了理论分析,
并通过实验验证,得到了一组提高空气背衬芯轴型光纤水听器声压相移灵敏度的设计准则.
关t词:光纤水听器:相移灵敏度:解析法;有限元法
1引言
潜艇隐身技术的发展对声呐技术提出越来越
高的要求。对于被动声呐而言,为了提高探测性能,
基阵的设计可以朝两方面努力。一是被动声呐基阵
进一步向低频、大孔径方向发展。因为潜艇低频辐
射噪声的降低非常困难,同时低频段还包含有利于
检测和识别的、由艇内机械或螺旋浆工作引起的线
谱成分。孔径的增大、阵元数的增多还有利于提高
基阵增益:二是充分利用垂直向的声信息,艏端阵
的阵元独立进舱,为信号处理技术寻找最佳波束俯
仰角甚至进一步利用多径信息奠定基础。无论是上
面的哪种途径,都涉及到大量水听器 (对每个基阵
来说,阵元数可达几百至上千)信号的传输。光纤
水听器技术的发展为基阵往以上两方面发展提供
了一种解决
方案
气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载
。和传统压电陶瓷水听器相比,光
纤水听器具有以下优点:
①以光纤水听器为基元的声呐基阵将信号传
感和传输融合为一体。以光为信息载体,光信号在
光纤中的传输损失很小,可以有效地解决远离艇体
本身的大孔径拖曳线列阵、远距离布放的岸基警戒
声呐基阵的远距离数据传输问
题
快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题
;
②整个湿端无需供电,免除了大孔径陶瓷水听
器基阵中存在的稳压传输、电干扰问题。而且有利
于减轻缆的重量、减小缆的尺寸;
③光纤水听器阵利用时分、波分、频分和空分
等复用技术或其组合,可以达到很高的复用度,无
需在湿端进行采样编码即可利用少量的光纤将大
垂永听器信号传至信号预处理系统,有效地解决了
数据传输瓶颈;
④光纤水听器还可能具有更高的灵敏度、更大
的动态范围,在未来还可能具有价格上的优势。
空气背衬芯轴型光纤水听器由于空气腔的加
入,使得它具有较高的声压相移灵敏度,并且结构
简单,工艺上易于实现,适于组成拖曳线列阵。因
此,本文以空气背衬芯轴型光纤水听器为研究对
象,利用解析法和有限元法对其进行了理论分析,
根据分析结果制作了一组空气背衬芯轴型光纤水
听器,并对其声压相移灵敏度进行了测量。最终,
通过理论与实验分析得到了若干该型水听器声压
相移灵敏度的优化规律。
2空气背衬芯轴型光纤水听器的理论
分析
2.1芯轴型光纤水昕器的光弹耦合原理
空气背衬芯轴型光纤水听器结构图如图 1所
示。芯轴型光纤水听器的传感结构都可归结为光纤
缠绕于圆柱形芯轴壳体之上。为此,首先来分析一
下缠绕在芯轴壳体上的光纤长度变化量与所受载
荷之间的关系。直径为 ,光纤缠绕在长上、半径为
,.,的芯轴上的示意图如图2所示。
图 l空气背衬芯轴型光纤水听器结构详图
图2光纤圈示意图
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白琳琅等:空气背村芯轴型光纤水听嚣声压相移灵敏度优化设计
轴对称载荷作用于光纤水听器上 ,将会便光
纤圈上任一点产生轴向位移u(z,f)和径向位移
w(z,,),由于载荷的轴对称性,其切向位移设为零,
轴向分量 z和径向分量,.均独立于切向坐标 。理
论上,由于扭转作用,z、,.对 均有依赖作用,
但这里认为此影响可以忽略。经推导,缠绕光纤总
长度的变化量△fr可用下式来表达:
△ = w+警+l2 (q2_w2+
du 2
+ 警 2譬w
(1)
其中c= ,g= 雩
(d,<
:2 r (2)
其中, 为光纤折射率; 是光波波长;r/为光弹
修正因子。对于二氧化硅材料,此光弹修正因子近
似为0.71。
由于 =(w/厂,),经推导,在单位载荷下,
芯轴型光纤水听器的相移灵敏度 R6与芯轴壳体表
面的平均切向应变成比例:
= △ ≈(4兀 , ) 詈出 3
= (47mcL/ )
上式近似认为芯轴壳体与缠绕光纤完全耦合,
为光弹转换式。
对于空气背衬芯轴型光纤水听器,其壳体的厚
度和水听器芯轴壳体其它尺寸 (长度、半径等)相
比足够小,所以可以利用薄膜理论来计算芯轴壳体
表面的位移,进而得到水听器的相移灵敏度。同样,
水听器一般远离共振频率工作,可以作静态近似。
在薄膜理论中,忽略了沿壳体厚度方向的应力应变
分布的不同,在这些条件下,芯轴壳体薄膜理论的
静态微分方程可表示如下 :
十一
v
—
ow
: ! 二 (4a)
口 Eh
c +号老+ w=一 ㈤
其中 =h /12a ,h、v、E、口分别为壳体
的厚度、泊松比、杨氏模量和内径,Ⅳ 为壳体轴
向单元长度上所受的法向力,尸n为施加给壳体的轴
向声压。 ·
经推导,上式有如下的全解形式:
w(z)=K1 cos(zz)cosh(zz)+K2 sin(zz)sin h(zz)一
口 f v (1一v ).Po(1-v )1
1一v I口 Eh J
(5a)
)一 [ OS( sin h(zz)+
sin(zz)cos h(zz))+ (sin(zz)cos h(zz)一
cOS( sin z))】+ Q+1a.v2vP,,z+c
(5b)
其 中 :
口
, Q=
可称 = , 、 、c为待定常数。
从 (3)式可以看出,只要求出芯轴壳体表面
的位移或应变分布就可以得到芯轴型光纤水听器
的相移灵敏度。这样,对于空气背衬芯轴型光纤水
听器声压相移灵敏度的求解问题就可以转化为芯
轴壳体表面位移应变分布的求解,可以分别采用解
析法和有限元法来求解。
2.2空气背衬芯轴型光纤水昕器的解析法分析
空气背衬芯轴式光纤水听器支撑轴一般刚度
大且壁厚 (甚至为实心),所以可近似忽略声压对
支撑壳的作用,认为芯轴与支撑壳粘接点处各位移
分量为零。这样,在假设芯轴和支撑壳完全粘接的
条件下 (即钳定边界条件),将求得的芯轴壳体表
面的径向位移w(z,f)代入光弹转换式 (3)就可得
到空气背衬芯轴式光纤水听器的声压相移灵敏度:
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=(4彻 / ) a ( 1- 2)')a
其中:
:
a(co sh zL
_ co s
zL)
一 : 一
EhD
(1-v2)。 y=—————— ————— . =— — 上 I1h丝 +sin丝)~ 。
从图中可以清楚地看出,降低芯轴壳体厚度、
(6) 降低芯轴壳体杨氏模量均可有效提高光纤水听器
的声压相移灵敏度。此外,通过式(6)可以看出,
提高有效传感光纤的长度也可提高光纤水听器的
声压相移灵敏度。
2.3空气背衬芯轴型光纤水听器的有限元法分析口
有限元法较解析法的优势在于它不需要作一
些假设近似,可以根据光纤水听器的实际结构建立
模型,故更能反应水听器实际情况,其计算结果也
可能更为精确。
利用 ANSYS软件建立空气背衬芯轴型光纤水
听器的有限元模型,通过模态分析可确定其一阶共
振频率和振型,从而确定其工作带宽:施加声压载
荷后,通过静力分析或谐响应分析可求解芯轴壳体
表面的径向位移分布,代入光弹转换式即可求得声
压相移灵敏度。
2.4空气背衬芯轴型光纤水昕器声接收性能的优
化规律
图 3、图4分别是采用解析法和有限元法得到
的芯轴壳体厚度和芯轴壳体杨氏模量与空气背衬
芯轴型光纤水听器声压相移灵敏度的关系曲线。两
幅图中其它参数保持不变,没有考虑传感光纤对芯
轴壳体应变分别的影响。
28
E● x'O”
图3芯轴壳体杨氏模量与空气背衬式光纤水听器
声压相移灵敏度关系曲线
t'
图 4芯轴壳体厚度与空气背衬芯轴型光纤水听器
声压相移灵敏度关系曲线
3实验验证
根据理论分析结果,设计制作了一组基于空气
背衬结构的芯轴型光纤水听器,并对其声压相移灵
敏度进行了测量。
图5是三种芯轴壳体厚度不同的空气背衬式光
纤水听器声压相移灵敏度的测量结果。当芯轴壳体
厚度从 1.5 mlTl降到 1 mm、0.5 mm时,其声压相移
灵敏度分别提高了3.0 dB、5.6 dB。该结果证明了
相应的理论分析结论:降低芯轴壳体厚度可有效提
高该型光纤水听器的声压相移灵敏度。
图6是三种芯轴壳体材料不同的空气背衬式光
纤水听器声压相移灵敏度的测量结果。当芯轴壳体
材料分别从硬铝变为有机玻璃、尼龙时,其声压相
移灵敏度分别提高了9.3 dB、10.9 dB。该结果在一
定程度上证明了相应的理论分析结论:降低芯轴壳
体杨氏模量可有效提高该型光纤水听器的声压相
移灵敏度。
l~二--*..-筋,lUltt:u ~.
- _一
一
、
、
lll乜t
图5三种不同芯轴壳体厚度的光纤水听器
声压相移灵敏度测量结果
I’乜t
图 6三种不同芯轴壳体材料的光纤水听器
声压相移灵敏度测量结果
表 1为三种不同芯轴壳体材料的空气背衬芯轴
∞ 越 ■ ∞ 一 花 M ∞
一 .i P■e —f -口§ l l
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白琳琅等:空气背村芯轴型光纤水听器声压相移灵敏度优化设计
型光纤水听器声压相移灵敏度 Mel与它们各自的对
称型一芯轴复合 l型光纤水听器 (有效传感光纤长
度较空气背衬芯轴型光纤水听器增加了一倍)的声
压相移灵敏度 Mp2的对比结果。该结果同样证明了
提高有效传感光纤长度可提高芯轴型光纤水听器
声压相移灵敏度的理论分析结果。
表 1六种光纤水昕器声压相移灵敏度的比较
^l(dB) 2(dB) 2一 l
s.A1.2 .1 58.3e0.5 D-Al-2 .1 52_3±0.8 6.0
S.PM.2 .149.0e0.9 D.PM.2 .143.1±0.2 5.9
S.N1.2 -I 47.4e0.3 D.N1.2 .140 印 4 7 4
4一结束语
本文分别应用解析法和有限元法对空气背衬
芯轴型光纤水听器的声压相移灵敏度进行了分析,
得到了一组理论上该型光纤水听器声压相移灵敏
度的优化设计规律,并通过实验对理论优化规律进
行了验证。结果表明两种
方法
快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载
均可对空气背衬芯轴
型光纤水听器声压相移灵敏度的优化规律进行较
准确的预报。两种方法还需进行相应的完善以达到
对光纤水昕器各种性能参数具体数值进行准确预
报,这也是我们下一步要着手的工作。
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