Моделирование и экспериментальное исследование чувствительного элемента волоконно-оптического гидрофона Текст научной статьи по специальности «Физика»
Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Ефимов Михаил Евгеньевич, Плотников Михаил Юрьевич, Куликов Андрей Владимирович
Предложена модель волоконно-оптического чувствительного элемента гидрофона. Конструкция гидрофона содержит податливый сердечник из полимерного материала с регламентированными упругими свойствами, на который намотано оптическое волокно. При моделировании использован встроенный модуль среды Comsol Multiphysics Acoustic Solid Interaction, позволяющий оценить воздействие акустического поля различной частоты и амплитуды на величину деформации поверхности чувствительного элемента. Предложенная модель позволяет имитировать работу гидрофона в различных средах, материалы и размеры чувствительного элемента выбираются на этапе проектирования с целью обеспечения требуемых эксплуатационных характеристик частотной характеристики и чувствительности волоконно-оптического гидрофона . Правильность построения модели проверена сопоставлением результатов компьютерного моделирования и экспериментального исследования макета в акустическом бассейне. Макет представлял собой волоконный фазовый интерферометрический гидрофон на брэгговских решетках. Чувствительный элемент выполнен в виде цилиндрического сердечника, на который намотано оптическое волокно. Характеристики сердечника: показатель затухания материала (damping) 0,1, модуль Юнга сердечника 6 МПа, коэффициент Пуассона-0,49. Макет испытан в экспериментальном бассейне, конструкция которого позволяет проводить измерения на частотах выше 3000 Гц при отсутствии переотражений акустического сигнала. Оценка воздействия акустического поля проведена с помощью аттестованного пьезоэлектрического гидрофона: амплитуда акустического поля плоской волны 0,5 и 1 Па, частоты акустического воздействия 3000-8000 Гц. Согласно полученным результатам, чувствительность изготовленного макета составила 0,1 рад/Па на частоте 3000 Гц. Исследования показали, что чувствительность моделируемого волоконно-оптического гидрофона будет уменьшаться с ростом частоты гидроакустического воздействия. На частоте 8000 Гц чувствительность снижается до 0,01 рад/Па. Результаты макетных испытаний подтвердили адекватность компьютерной модели, что дает возможность рекомендовать предложенную модель при разработке и исследовании волоконно-оптических гидрофонов .
Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Ефимов Михаил Евгеньевич, Плотников Михаил Юрьевич, Куликов Андрей Владимирович
Modeling and experimental study of a fiber optic hydrophone sensing element
A model of the fiber-optic hydrophone sensor is suggested. Hydrophone construction comprises a malleable core made of a polymeric material with regulated elastic properties to which the optical fiber is wound. The built-in module of Comsol Multiphysics Acoustic Solid Interaction is used in the simulation; it evaluates the impact of the acoustic field of different frequencies and amplitudes on the value of the sensor surface deformation. The proposed model gives the possibility for simulating the hydrophone in various environments; materials and dimensions of sensor are selected at the design stage to ensure the required performance: frequency response and sensitivity of fiber optic hydrophone. Correctness of the model construction was verified by results comparison of the computer simulation and experimental study in the acoustic pool. The prototype was represented as the phase interferometric fiber-optic hydrophone on the Bragg gratings. The sensing element is formed as a cylindrical core round which the optical fiber is wound. Core characteristics are: the material attenuation (damping) 0.1, Young's modulus of the core 6 MPa, Poisson’s ratio 0.49. The prototype was tested in the experimental pool, which design makes it possible to carry out measurements at frequencies above 3 kHz in the absence of reflections of the acoustic signal. The impact assessment of the acoustic field is carried out by means of an approved piezoelectric hydrophone: the amplitude of the acoustic field of a plane wave is 0.5 and 1 Pa, frequencies of the acoustic impact are 3000 8000 Hz. According to the findings fabricated prototype sensitivity was equal to 0.1 rad / Pa at the frequency of 3 kHz. Studies have shown that the sensitivity of the simulated fiber optic hydrophone will decrease with increasing frequency of hydroacoustic exposure. At 8 kHz frequency the sensitivity is decreased to 0.01 rad / Pa. Prototype testing results have confirmed the adequacy of the computer model that makes it possible to recommend the proposed model for the development and study of fiber optic hydrophones.
Текст научной работы на тему «Моделирование и экспериментальное исследование чувствительного элемента волоконно-оптического гидрофона»
МОДЕЛИРОВАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЧУВСТВИТЕЛЬНОГО ЭЛЕМЕНТА ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКОГО
М.Е. Ефимов3, М.Ю. Плотников3, А.В. Куликов3
а Университет ИТМО, 197101, Санкт-Петербург, Россия, spbeok@hotmail.com
Аннотация. Предложена модель волоконно-оптического чувствительного элемента гидрофона. Конструкция гидрофона содержит податливый сердечник из полимерного материала с регламентированными упругими свойствами, на который намотано оптическое волокно. При моделировании использован встроенный модуль среды Comsol Multiphysics - Acoustic Solid Interaction, позволяющий оценить воздействие акустического поля различной частоты и амплитуды на величину деформации поверхности чувствительного элемента. Предложенная модель позволяет имитировать работу гидрофона в различных средах, материалы и размеры чувствительного элемента выбираются на этапе проектирования с целью обеспечения требуемых эксплуатационных характеристик - частотной характеристики и чувствительности волоконно-оптического гидрофона.
Правильность построения модели проверена сопоставлением результатов компьютерного моделирования и экспериментального исследования макета в акустическом бассейне. Макет представлял собой волоконный фазовый интер-ферометрический гидрофон на брэгговских решетках. Чувствительный элемент выполнен в виде цилиндрического сердечника, на который намотано оптическое волокно. Характеристики сердечника: показатель затухания материала (damping) - 0,1, модуль Юнга сердечника - 6 МПа, коэффициент Пуассона-0,49. Макет испытан в экспериментальном бассейне, конструкция которого позволяет проводить измерения на частотах выше 3000 Гц при отсутствии переотражений акустического сигнала. Оценка воздействия акустического поля проведена с помощью аттестованного пьезоэлектрического гидрофона: амплитуда акустического поля плоской волны 0,5 и 1 Па, частоты акустического воздействия 3000-8000 Гц. Согласно полученным результатам, чувствительность изготовленного макета составила 0,1 рад/Па на частоте 3000 Гц. Исследования показали, что чувствительность моделируемого волоконно-оптического гидрофона будет уменьшаться с ростом частоты гидроакустического воздействия. На частоте 8000 Гц чувствительность снижается до 0,01 рад/Па. Результаты макетных испытаний подтвердили адекватность компьютерной модели, что дает возможность рекомендовать предложенную модель при разработке и исследовании волоконно-оптических гидрофонов.
Ключевые слова: волоконно-оптический гидрофон, моделирование, Comsol Multiphysics, чувствительность. Благодарности. Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (проект №02.G25.31.0044).
MODELING AND EXPERIMENTAL STUDY OF A FIBER OPTIC HYDROPHONE
SENSING ELEMENT M.E. Efimov3, M.Yu. Plotnikov3, A.V. Kulikov3
3 ITMO University, 197101, Saint Petersburg, Russia, spbeok@hotmail.com
Abstract. A model of the fiber-optic hydrophone sensor is suggested. Hydrophone construction comprises a malleable core made of a polymeric material with regulated elastic properties to which the optical fiber is wound. The built-in module of Comsol Multiphysics - Acoustic Solid Interaction is used in the simulation; it evaluates the impact of the acoustic field of different frequencies and amplitudes on the value of the sensor surface deformation. The proposed model gives the possibility for simulating the hydrophone in various environments; materials and dimensions of sensor are selected at the design stage to ensure the required performance: frequency response and sensitivity of fiber optic hydrophone. Correctness of the model construction was verified by results comparison of the computer simulation and experimental study in the acoustic pool. The prototype was represented as the phase interferometric fiber-optic hydrophone on the Bragg gratings. The sensing element is formed as a cylindrical core round which the optical fiber is wound. Core characteristics are: the material attenuation (damping) - 0.1, Young's modulus of the core - 6 MPa, Poisson's ratio - 0.49. The prototype was tested in the experimental pool, which design makes it possible to carry out measurements at frequencies above 3 kHz in the absence of reflections of the acoustic signal. The impact assessment of the acoustic field is carried out by means of an approved piezoelectric hydrophone: the amplitude of the acoustic field of a plane wave is 0.5 and 1 Pa, frequencies of the acoustic impact are 3000 - 8000 Hz. According to the findings fabricated prototype sensitivity was equal to 0.1 rad / Pa at the frequency of 3 kHz. Studies have shown that the sensitivity of the simulated fiber optic hydrophone will decrease with increasing frequency of hydroacoustic exposure. At 8 kHz frequency the sensitivity is decreased to 0.01 rad / Pa. Prototype testing results have confirmed the adequacy of the computer model that makes it possible to recommend the proposed model for the development and study of fiber optic hydrophones.
Keywords: fiber-optic hydrophone, modeling, Comsol Multiphysics, sensitivity.
Acknowledgements. The work was financially supported by the Ministry of Education and Science of the Russian Federation (project №02.G25.31.0044).
В настоящее время хорошо изучены и получили широкое распространение в гидроакустике пьезо-керамические чувствительные элементы [1]. Их главными недостатками являются большие массогаба-ритные параметры, сложность объединения их в гидроакустические комплексы (сложность их мультиплексирования) [2], высокая чувствительность к электромагнитному воздействию и небольшая акустическая чувствительность по сравнению с волоконно-оптическими гидрофонами.
Сегодня все более широкое распространение получают оптические датчики различных типов [3] благодаря высокой чувствительности измерений, большому динамическому диапазону, коррозионной стойкости, взрыво- и пожаробезопасности, а также устойчивости к электромагнитному излучению [4]. Эта тенденция коснулась и гидроакустики. Датчики, фиксирующие звуковое давление в водной среде, называются гидрофонами.
Целью настоящей работы является создание модели чувствительного элемента волоконно-оптического гидрофона (ВОГ) и сопоставление результатов моделирования в среде СотБо1 МиШрИуБЮБ с результатами, полученными в ходе экспериментального исследования макета чувствительного элемента.
Волоконно-оптические датчики обладают рядом преимуществ по сравнению с пьезокерамически-ми чувствительными элементами. ВОГ обладают лучшими метрологическими параметрами, имеют более выгодные весогабаритные характеристики, малое энергопотребление, независимость от влияния электромагнитного поля. Все эти преимущества делают волоконно-оптические датчики более перспективными для использования в газонефтяной промышленности, а также в геолокационных и гидролокационных комплексах [5]. Моделирование в среде СотБо1 МиШрИуБЮБ позволяет провести предварительную оценку частотной характеристики чувствительного элемента ВОГ без непосредственного изготовления опытного образца.
Фазовые интерферометрические датчики
В любых волоконно-оптических датчиках оптическое волокно может служить либо средой для передачи информации, либо чувствительным элементом. В последнем случае датчик обычно строится на основе волоконно-оптического интерферометра, одно волокно в котором служит сигнальным плечом, а другое - опорным. На рис. 1 представлена схема работы фазовых интерферометрических датчиков на брэгговских решетках с интерферометром Маха-Цендера.