本發(fā)明屬于光纖傳感領域，涉及一種仿真計算方法，尤其涉及一種光纖水聽器聲壓靈敏度的仿真計算方法。

背景技術：

光纖傳感技術是伴隨光導纖維和光纖通信技術發(fā)展而形成的一門新技術，其廣泛應用于航天航海、核工業(yè)、橋梁隧道、建筑、石油開采、電力傳輸、醫(yī)療、科研等領域。光纖水聽器的研究已經(jīng)取得了巨大的進步，現(xiàn)正向工程化、裝備化邁進。由于光纖水聽器的使用環(huán)境復雜多變，不同的使用環(huán)境對光纖水聽器的聲壓靈敏度有著不同的要求，需要通過調整光纖水聽器敏感部件(即線圈)的尺寸以達到調整光纖水聽器聲壓靈敏度的目標，以適應多種多樣的使用要求。

現(xiàn)有技術中的調整方法主要基于設計人員的個人經(jīng)驗，并通過不斷打樣確定光纖水聽器線圈的尺寸，費時、費力又開銷巨大。

因此急需一種快速、準確的方法對不同尺寸的線圈進行計算，在設計之初明確所設計的光纖水聽器線圈的聲壓靈敏度。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種光纖水聽器聲壓靈敏度的仿真計算方法。

本發(fā)明為解決上述技術問題而采用的技術方案是提供一種光纖水聽器聲壓靈敏度的仿真計算方法，包括如下步驟：

s1：選擇敏感光纖2，將敏感光纖2纏繞于線圈基底3上組成光纖水聽器的線圈1上，通過給定的敏感光纖2的長度和線圈基底3的尺寸分別計算敏感光纖每層的纏繞圈數(shù)n和纏繞層數(shù)st；

s2：利用有限元仿真分析軟件，建立以線圈基底3的軸對稱面為基礎幾何模型且包含纏繞圈數(shù)為n、纏繞層數(shù)為st的纏繞于線圈基底3上的每一圈敏感光纖2模型的整體有限元仿真模型；

s3：在線圈1與水接觸的表面施加單位靜壓力δp，通過有限元仿真分析軟件計算得到表面的每一圈敏感光纖2模型圓心的徑向位移；

s4：將步驟s3所得的徑向位移相加，計算敏感光纖2的總長度變化量δl；

s5：根據(jù)敏感光纖2的總長度變化量δl和施加于線圈1上的單位靜壓力δp，計算聲壓靈敏度的仿真值sp(db)。

根據(jù)權利要求1所述的一種光纖水聽器聲壓靈敏度的仿真計算方法，其特征在于，所述步驟s1中按式(1)計算得到敏感光纖2每層的纏繞圈數(shù)n，按式(2)計算得到敏感光纖2的纏繞層數(shù)st；

n＝h/d(1)

st＝l/(n×π×d)(2)

式(1)和式(2)中，h為線圈上用于纏繞敏感光纖的長度，d為敏感光纖的直徑，l為敏感光纖的總長度，d為線圈基底的直徑，n和st計算結果精度為取值至整數(shù)位。

根據(jù)權利要求1所述的一種光纖水聽器聲壓靈敏度的仿真計算方法，其特征在于，所述步驟s4中按式(3)計算得到敏感光纖2的總長度變化量δl；

δl＝2×π×∑δxn(3)

式(3)中，δxn為每一圈敏感光纖模型圓心的徑向位移。

根據(jù)權利要求1所述的一種光纖水聽器聲壓靈敏度的仿真計算方法，其特征在于，所述步驟s5中按式(4)計算得到聲壓靈敏度的仿真值sp(db)。

本發(fā)明對比現(xiàn)有技術有如下的有益效果：

本發(fā)明可以快速計算不同尺寸的光纖水聽器核心敏感部件(即線圈)的聲壓靈敏度，縮短光纖水聽器設計時間，提高設計效率。

附圖說明

圖1為光纖水聽器線圈的結構示意圖；

圖2為光纖水聽器線圈的結構尺寸示意圖；

圖3為光纖水聽器線圈的有限元仿真模型圖。

圖中：

1：線圈2：敏感光纖3：線圈基底

4：纖芯網(wǎng)格模型(二氧化硅)5：包覆層網(wǎng)格模型(丙烯酸酯)

6：膠層網(wǎng)格模型(環(huán)氧樹脂)7：線圈基底網(wǎng)格模型(聚碳酸酯)

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的描述。

圖1為光纖水聽器核心敏感部件(即線圈)的結構示意圖，其結構尺寸如圖2所示；

由于線圈的對稱性，在保證仿真精度的前提下采用現(xiàn)有有限元前處理軟件對線圈的軸對稱面進行網(wǎng)格處理，形成可用于有限元計算的有限元網(wǎng)格模型，如圖3所示。值得一提的是，網(wǎng)格中每一圈光纖都有對應的有限元網(wǎng)格。

采用商用有限元軟件對上述模型進行自動處理和計算，在仿真計算結果中提取每一圈光纖對應的網(wǎng)格的x向(即徑向)位移，根據(jù)公式3可計算得到每一圈光纖的伸長量。再根據(jù)公式4可以計算得到本款線圈的聲壓靈敏度。

以某一型號的線圈靈敏度仿真為例：

給定線圈上用于纏繞敏感光纖的長度為165mm，敏感光纖的直徑為0.165mm，敏感光纖的總長度為62.8m，線圈基底的直徑為20mm，壁厚為5mm。

計算光纖的層數(shù)st＝1和每層光纖纏繞的圈數(shù)n＝1000。

進入有限元軟件msc.patran。取線圈的軸對稱面作為建立模型的基礎幾何模型，必須以基礎坐標系的z軸為對稱軸、以x軸為半徑方向。

由于patran中軸對稱模型只能采用三角形網(wǎng)格進行計算，所以建立網(wǎng)格模型分為以下幾個步驟：

1、分布纖芯(4)和包覆層(5)的網(wǎng)格種子，用以控制網(wǎng)格的尺寸。每個圓周布放12個網(wǎng)格種子。

2、采用軟件自帶自由網(wǎng)格劃分功能劃分一圈纖芯(4)和包覆層(5)的網(wǎng)格。

3、手動劃分一圈光纖膠層(6)的網(wǎng)格，水平和豎直邊線上的節(jié)點距離均為包覆層(5)外徑的四分之一(此處采用0.165mm的光纖，故邊線尺寸為0.04125mm)。

4、按照光纖層數(shù)st和圈數(shù)n，采用陣列復制的方法將纖芯(4)、包覆層(5)和膠層(6)的網(wǎng)格進行水平和豎直方向的復制。

5、一般情況下，緊密纏繞的纖芯(4)、包覆層(5)和膠層(6)的網(wǎng)格復制模型與線圈在尺寸上會存在一點間隙，通過掃略方式拉伸獲得網(wǎng)格，補充到膠層網(wǎng)格中。

6、采用軟件自帶自由網(wǎng)格劃分功能劃分線圈部分的網(wǎng)格，要求在其與膠層相接觸的位置，兩部分的網(wǎng)格共節(jié)點。

根據(jù)以上步驟建立有限元網(wǎng)格模型在以后，在受壓位置施加1mpa水壓進行仿真計算。采用msc有限元軟件中的仿真結果提取功能，提取表面的每一圈敏感光纖模型的圓心的徑向位移的總和，根據(jù)公式(3)計算敏感光纖的總長度變化量δl＝30.44mm；

根據(jù)敏感光纖的總長度變化量δl和施加于線圈上的單位靜壓力δp＝1mpa，根據(jù)公式(4)計算聲壓靈敏度的仿真值sp(db)＝-130.7(db)。

雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭示如上，然其并非用以限定本發(fā)明，任何本領域技術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，當可作些許的修改和完善，因此本發(fā)明的保護范圍當以權利要求書所界定的為準。

技術特征：

技術總結
本發(fā)明公開了一種光纖水聽器聲壓靈敏度的仿真計算方法，特征在于，該計算方法為基于有限元分析的聲壓靈敏度仿真預測方法?；谟邢拊治鲕浖?，建立光纖水聽器核心敏感部件(即線圈)的有限元模型。在模型與水接觸表面施加單位靜水壓力，通過仿真計算得到表面的每一圈敏感光纖的徑向位移。由所有徑向位移的總和及線圈尺寸推算線圈表面敏感光纖的總長度變化量。以此為基礎，根據(jù)自主推導的轉化公式，得到聲壓靈敏度的仿真值。本發(fā)明可以快速計算不同尺寸的光纖水聽器核心敏感部件(即線圈)的聲壓靈敏度，縮短光纖水聽器設計時間，提高設計效率。

技術研發(fā)人員：陳開;王俊
受保護的技術使用者：上海傳輸線研究所（中國電子科技集團公司第二十三研究所）
技術研發(fā)日：2017.03.20
技術公布日：2017.08.22