本發(fā)明涉及水下聲傳感，特別是涉及一種耐高靜水壓的高靈敏光纖水聽基元。

背景技術(shù)：

1、光纖水聽器基于解調(diào)光纖內(nèi)光信號(hào)變化，如相位，強(qiáng)度或者波長(zhǎng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)聲波信號(hào)的提取，主要用于海洋聲學(xué)環(huán)境中的聲傳播特性、噪聲、混響、目標(biāo)聲學(xué)特性等的研究，具有聲壓靈敏度高，抗電磁干擾、動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)勢(shì)。由于光纖本身的楊氏模量較大，導(dǎo)致其在受到擾動(dòng)時(shí)的軸向變形量很小，單純采用光纖進(jìn)行傳感的靈敏度不高。為了提升光纖水聽器的靈敏度，往往需要對(duì)光纖進(jìn)行增敏處理。基本的方式是將光纖貼在或者繞制于某種彈性體上，形成水聽器基元。當(dāng)聲波作用于此類基元上，會(huì)引起彈性體的形變，進(jìn)而拉伸光纖，引起內(nèi)部光信號(hào)的變化，起到增敏的效果。

2、為了獲得高靈敏度（比如-140db/rad/μpa），彈性體常選用較軟的材料（低彈性模量）。在深海工況下由于高靜水壓，此類增敏材料會(huì)發(fā)生硬化，即其應(yīng)力應(yīng)變曲線隨壓力發(fā)生急劇變化，致使水聽基元的靈敏度大幅降低。為了滿足深海應(yīng)用對(duì)于高靈敏光纖水聽器的需求，就需要對(duì)水聽基元進(jìn)行耐壓設(shè)計(jì)。目前主要方法是有兩類：1）在傳感器外部制作一套用于抗壓的密封型外殼，以保證其內(nèi)部水聽器基元不受靜水壓力的影響。例如，專利“一種耐高壓的深海水聽器”（申請(qǐng)?zhí)?02020589276.9）提出了一種耐高壓的深海水聽器，其特點(diǎn)是水聽器主體的外表面分別設(shè)置有左半圓鐵殼和右半圓鐵殼，形成密閉腔室，將水聽基元保護(hù)于其內(nèi)部。上述方法中金屬外殼會(huì)影響透聲性能，一定程度上也會(huì)增加水聽器的整體尺寸。2）利用硬質(zhì)材料（高彈性模量）組成空氣腔，形成承壓結(jié)構(gòu)，例如，專利“一種深海用光纖水聽器”（申請(qǐng)?zhí)?01711447729.3），但因其整體剛度較大，單位長(zhǎng)度光纖增敏效果有限，因此往往需要繞制數(shù)十米至上百米的光纖，積累足夠的相位變化以期提升基元靈敏度。此類設(shè)計(jì)裝配較為復(fù)雜，且單個(gè)基元光纖長(zhǎng)度長(zhǎng)，傳統(tǒng)的干涉型水聽器還能適用，對(duì)于新型的分布式光纖水聽器受解調(diào)空間分辨率限制，太長(zhǎng)的光纖會(huì)大幅增加光纜整體光纖長(zhǎng)度，從而影響系統(tǒng)的整體性能。因此如何實(shí)現(xiàn)類似常壓下的高靈敏水聽基元設(shè)計(jì)與制備，是光纖水聽器在深海探測(cè)應(yīng)用所面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本申請(qǐng)?zhí)峁┝艘环N耐高靜水壓的高靈敏水聽基元，其目的在于解決現(xiàn)有的光纖水聽器在深海高靜水壓工況下的探測(cè)靈敏度降低、傳感器笨重且體積較大等問(wèn)題。

2、為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案如下：

3、一種耐高靜水壓的高靈敏光纖水聽基元，包括增敏彈性組件、基元封裝組件、光纖和柔性包覆層；所述基元封裝組件用于覆蓋增敏彈性組件的兩端；所述增敏彈性組件的側(cè)面環(huán)繞有光纖并覆蓋一層柔性包覆層，實(shí)現(xiàn)所述增敏彈性組件的封裝。

4、進(jìn)一步地，還包括軟膠，所述增敏彈性組件的兩端緊貼有所述軟膠，再通過(guò)所述基元封裝組件覆蓋增敏彈性組件的兩端。

5、進(jìn)一步地，所述基元封裝組件包括端蓋、中心桿和螺帽；所述中心桿包括頭部和桿部；所述中心桿的桿部依次套有所述增敏彈性組件和所述端蓋，再通過(guò)所述螺帽壓緊所述端蓋。

6、進(jìn)一步地，所述桿部包括第一段桿、第二段桿和第三段桿；

7、所述第一段桿套有所述基元封裝組件；所述第二段桿套有所述端蓋并緊貼所述基元封裝組件，若所述基元封裝組件的兩端還設(shè)置有軟膠，則所述端蓋緊貼所述軟膠；所述第三段桿上擰有所述螺帽以壓緊所述端蓋；

8、所述第二段桿處還設(shè)置有密封圈。

9、進(jìn)一步地，所述基元封裝組件包括兩個(gè)端蓋、支撐管、螺栓和螺帽；

10、所述支撐管套有兩個(gè)端蓋和增敏彈性組件，所述兩個(gè)端蓋分別位于所述增敏彈性組件兩端并緊貼，若所述基元封裝組件的兩端分別設(shè)置有軟膠，則所述兩個(gè)端蓋分別緊貼所述軟膠；最后通過(guò)螺栓和螺帽將兩端的端蓋壓緊。

11、進(jìn)一步地，所述增敏彈性組件包括骨架材料模型和填充材料模型，二者互補(bǔ)構(gòu)成了增敏彈性組件，所述骨架材料模型和填充材料模型相互分離卻又相互嵌插成為兩個(gè)相區(qū)，兩個(gè)相區(qū)均為連續(xù)相，并在空間各個(gè)方向均處于連通狀態(tài)；

12、所述骨架材料模型采用具有較大楊氏模量的材料制作，較大楊氏模量為1-5gpa，以承受高靜水壓應(yīng)力；所述填充材料模型采用具有較小楊氏模量的軟材料制作，較小楊氏模量為10-100mpa，以提供寬幅線性形變能力，同時(shí)起到填充和粘結(jié)作用，并輔助均衡和分散載荷。

13、進(jìn)一步地，所述骨架材料模型和填充材料模型的構(gòu)建方法包括：通過(guò)建模軟件設(shè)計(jì)構(gòu)建類晶體結(jié)構(gòu)的胞元，將該胞元構(gòu)造成點(diǎn)陣式結(jié)構(gòu)，其輪廓的包絡(luò)體為圓柱形，該點(diǎn)陣式結(jié)構(gòu)即為骨架材料模型；將所述增敏彈性組件的圓柱形輪廓模型與所述骨架材料模型做布爾減法運(yùn)算后得到的模型即為填充材料模型。

14、進(jìn)一步地，環(huán)繞在所述增敏彈性組件上的光纖，其螺距大于光纖的直徑。

15、進(jìn)一步地，所述覆蓋一層柔性包覆層具體為：采用柔性透聲材料制作，包裹在光纖的外部以使光纖與外部介質(zhì)隔離，保障光纖與增敏彈性組件的有效貼合性，并起到密封作用。

16、進(jìn)一步地，還包括：所述高靈敏光纖水聽基元之間互相連接，成陣裝配。

17、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

18、1.通過(guò)復(fù)合增敏彈性組件設(shè)計(jì)與制備，配合基元封裝組件、夾持組件以及柔性包覆層的設(shè)計(jì)，使得光纖水聽器在高靜水壓下仍具備高靈敏度。

19、2.無(wú)需負(fù)責(zé)的內(nèi)外壓平衡或壓力隔離外殼設(shè)計(jì)，整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝配容易，極易實(shí)現(xiàn)耐高靜水壓水聽器的小型化。

技術(shù)特征：

1.一種耐高靜水壓的高靈敏光纖水聽基元，其特征在于，包括增敏彈性組件（110）、基元封裝組件（120）、光纖（130）和柔性包覆層（140）；所述基元封裝組件（120）用于覆蓋增敏彈性組件（110）的兩端；所述增敏彈性組件（110）的側(cè)面環(huán)繞有光纖（130）并覆蓋一層柔性包覆層（140），實(shí)現(xiàn)所述增敏彈性組件（110）的封裝。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種耐高靜水壓的高靈敏光纖水聽基元，其特征在于，還包括軟膠（125），所述增敏彈性組件（110）的兩端緊貼有所述軟膠（125），再通過(guò)所述基元封裝組件（120）覆蓋增敏彈性組件（110）的兩端。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種耐高靜水壓的高靈敏光纖水聽基元，其特征在于，所述基元封裝組件（120）包括端蓋（121）、中心桿（122）和螺帽（123）；所述中心桿（122）包括頭部（1221）和桿部（1222）；所述中心桿（122）的桿部（1222）依次套有所述增敏彈性組件（110）和所述端蓋（121），再通過(guò)所述螺帽（123）壓緊所述端蓋（121）。

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種耐高靜水壓的高靈敏光纖水聽基元，其特征在于，所述桿部（1222）包括第一段桿（1223）、第二段桿（1224）和第三段桿（1225）；

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種耐高靜水壓的高靈敏光纖水聽基元，其特征在于，所述基元封裝組件（120）包括兩個(gè)端蓋（121）、支撐管（126）、螺栓和螺帽；

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種耐高靜水壓的高靈敏光纖水聽基元，其特征在于，所述增敏彈性組件（110）包括骨架材料模型（111）和填充材料模型（112），二者互補(bǔ)構(gòu)成了增敏彈性組件（110），所述骨架材料模型（111）和填充材料模型（112）相互分離卻又相互嵌插成為兩個(gè)相區(qū)，兩個(gè)相區(qū)均為連續(xù)相，并在空間各個(gè)方向均處于連通狀態(tài)；

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種耐高靜水壓的高靈敏光纖水聽基元，其特征在于，所述骨架材料模型（111）和填充材料模型（112）的構(gòu)建方法包括：通過(guò)建模軟件設(shè)計(jì)構(gòu)建類晶體結(jié)構(gòu)的胞元，將該胞元構(gòu)造成點(diǎn)陣式結(jié)構(gòu)，其輪廓的包絡(luò)體為圓柱形，該點(diǎn)陣式結(jié)構(gòu)即為骨架材料模型（111）；將所述增敏彈性組件（110）的圓柱形輪廓模型與所述骨架材料模型（111）做布爾減法運(yùn)算后得到的模型即為填充材料模型（112）。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種耐高靜水壓的高靈敏光纖水聽基元，其特征在于，環(huán)繞在所述增敏彈性組件（110）上的光纖（130），其螺距大于光纖（130）的直徑。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種耐高靜水壓的高靈敏光纖水聽基元，其特征在于，所述覆蓋一層柔性包覆層（140）具體為：采用柔性透聲材料制作，包裹在光纖（130）的外部以使光纖（130）與外部介質(zhì)隔離，保障光纖（130）與增敏彈性組件（110）的有效貼合性，并起到密封作用。

10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種耐高靜水壓的高靈敏光纖水聽基元，其特征在于，還包括：還包括若干個(gè)夾持組件（150），設(shè)置在所述高靈敏光纖水聽基元的兩端；所述高靈敏光纖水聽基元之間互相連接，成陣裝配。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種耐高靜水壓的高靈敏光纖水聽基元，包括增敏彈性組件、基元封裝組件、光纖和柔性包覆層；基元封裝組件用于覆蓋增敏彈性組件的兩端；增敏彈性組件的側(cè)面環(huán)繞有光纖并覆蓋一層柔性包覆層，實(shí)現(xiàn)增敏彈性組件的封裝。其中，增敏彈性組件采用由兩種不同楊氏模量的材料復(fù)合制作，其中楊氏模量較大的材料作為骨架材料，具有高強(qiáng)度重量比，對(duì)徑向壓縮載荷表現(xiàn)出優(yōu)異的抵抗力和疲勞性能，骨架的間隙填充具有較小楊氏模量的柔性填充材料，能夠保障增敏彈性組件在較大的靜水壓下仍保持理想的等效楊氏模量。在高靜水壓環(huán)境中，聲壓將耐壓材料的徑向形變轉(zhuǎn)換成光纖的軸向形變，進(jìn)而轉(zhuǎn)變成光波的相位變化，通過(guò)解調(diào)實(shí)現(xiàn)對(duì)聲壓的高靈敏度感知。

技術(shù)研發(fā)人員：嚴(yán)國(guó)鋒,江浪,肖春,徐承,王新林
受保護(hù)的技術(shù)使用者：之江實(shí)驗(yàn)室
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19