[发明专利]空气背衬无弹性体光纤水听器探头及加工方法

说明书

本发明公开了一种空气背衬无弹性体光纤水听器探头及加工方法，主要包括光纤线圈和支撑刚体，支撑刚体的外圆面上设置凹槽，光纤线圈同轴固定在支撑刚体的外圆面上并与凹槽形成密闭空腔作为空气背衬；光纤线圈由光纤绕制成所需形状，通过粘接内部所有光纤相邻表面而成一体并在光纤之间形成光纤间隙。本发明的有益效果为：光纤水听器探头无弹性体，有效降低了水听器重量与体积，拓展了光纤水听器在轻小型声阵列领域的应用。无弹性体光纤水听器探头中光纤线圈直接与支撑刚体固定，有利于轻小型光纤水听器的实现；声场直接引起光纤线圈中光纤长度变化，灵敏度影响因素单一；针对不同应用需求，可通过改变线圈内光纤间隙粘接剂的体积与材料参数。

技术领域

本发明涉及光纤水听器探头，主要是一种空气背衬无弹性体光纤水听器探头及加工方法。

背景技术

光纤水听器是将水中声压信号转化为可探测光信号调制的一种光纤传感器，因其具有灵敏度高、不易受电磁环境干扰、易于复用等优点，近年来在军民领域得到了快速发展。空气背衬光纤水听器因其工艺简单，性能优良而得到广泛应用。

现有的空气背衬光纤水听器由支撑刚体、弹性体、光纤线圈组成，通过在支撑刚体上密封固定弹性体，支撑刚体与弹性体之间密封形成密闭空腔，光纤绕制于弹性体上。弹性体占用了水听器探头的体积与重量，在轻小型应用场合中此问题尤为突出；灵敏度受到两种材料之间的应变传递效率限制，影响因素复杂；灵敏度与环境性能的改进方法有限。将所述水听器置于水声场中时，弹性体带动光纤线圈的形变，并导致光纤纤芯的长度与折射率变化(弹光效应)，从而导致光纤中传输光的相位变化，通过光干涉将该相位变化检测出来即可提取作用其上声压信号。

声场引起光纤形变后，根据弹光效应，单模光纤径向折射率改变与各向异性应变的关系式为式(1)：

式(1)中Δn为单模光纤径向折射率改变，n为光纤折射率，P₁₁与P₁₂为光纤纤芯的弹光系数，ε_z为光纤纤芯轴向应变，ε_r为光纤纤芯径向应变。

光相位改变与折射率、长度改变的关系式推导为式(2)：

式(2)中ΔΦ为光相位改变，β₀为真空中光传播常数，L为光纤总长，ΔL为光纤长度改变。

将式(1)代入式(2)可得光相位改变与纤芯应变的关系式为式(3)：

由式(3)可知，仿真计算光纤水听器在受到声场作用时光纤轴向、径向应变，代入光纤长度等参数，即可计算水听器灵敏度。

除灵敏度外，光纤水听器的应用还受到环境性能、体积、重量限制。现有空气背衬光纤水听器主要通过改变光纤长度、结构尺寸、结构材料参数等方法改变各项性能，但效果有限。所以，需寻找一种新的轻小型且易于提高灵敏度与环境性能的空气背衬光纤水听器结构。

发明内容

针对已有光纤水听器探头体积与重量不易减小、灵敏度与环境性能不易优化的问题，本发明的目的在于提供一种空气背衬无弹性体光纤水听器探头及加工方法，以有效降低水听器重量与体积，通过调整粘接剂参数方便改变水听器灵敏度与环境性能。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种空气背衬无弹性体光纤水听器探头，主要包括光纤线圈和支撑刚体，无弹性体，支撑刚体的外圆面上设置凹槽，光纤线圈同轴固定在支撑刚体的外圆面上并与凹槽形成密闭空腔作为空气背衬；所述光纤线圈由光纤绕制成所需形状，通过粘接内部所有光纤相邻表面而成一体并在光纤之间形成光纤间隙。

所述的光纤间隙内填充有粘接剂，通过改变粘接剂的体积与材料参数，改变光纤水听器的灵敏度与环境性能。