Способ регистрации акустической волны
Изобретение относится к акустике. Цель изобретения - повышение быстродействия определения параметров акустического поля за счет выполнения пространственного преобразования Фурье в самих датчиках. Это достигается тем, что акустическим полем воздействуют на систему датчиков, выполненную в виде развернутого в прямую линию оптического кабеля, состоящего из волоконных световодов, каждый из которых имеет распределение по длине кабеля коэффициента чувствительности к акустическому давлению к, достигаемому оболочкой волоконного световода, апроксимируемое выражением к KO +кп cos (di z ) , где di - заданные параметры; лы , /CD , р - параметры апроксимации; z- текущая координата вдоль линии кабеля; i - порядковый индекс световода. В световоды подают когерентный свет от лазера и регистрируют изменение фазы измерителем фазы оптического сигнала, светового потока в каждом световоде, как функцию времени Аде (t). Осуществляют временный спектральный анализ полученных сигналов анализатором спектра. По величине СУ- гармоники сигнала , полученного из 1-го световода, определяют амплитуду плоской составляющей акустической волны с частотой (а и направлением распространения, составляющим угол в с линией кабеля, определяемый выражением в arccos (djv/ со), где v - скорость распределения акустической волны. 1 ил. ел с
СОЮЭ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (51)5 G 01 $3/80
ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ
ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛ ЬСТВУ (21) 4922383/22 (22) 19.02.91 (46) 30.05.93. Бюл. М 20 (71) Физико-технический институт им.
А.Ф.Иоффе (72) М.П,Петров и A.À.Ôîòèàäè (56) Патент США М 3812454, кл. 340-3R, 1974.
Бункин Ф.В. и др, Комплекс устройств для формирования диаграммы направленности линейных акустических антенн. Акустический журнал, т.34, вып.2, 1988, с.237-240. (54) СПОСОБ .РЕГИСТРАЦИИ АКУСТИЧЕСКОЙ ВОЛНЫ (57) Изобретение относится к акустике. Цель изобретения — повышение быстродействия определения параметров акустического поля за счет выполнения пространственного преобразования Фурье в самих датчиках.
Это достигается тем, что акустическим полем воздействуют на систему датчиков, выполненную в виде развернутого в прямую линию оптического кабеля, состоящего из волоконных световодов, каждый из которых
Изобретение относится к акустике, а именно к способам регистрации и on ределения параметров акустического поля, излучаемого сторонними источниками..
Цель изобретения — повышение быстродействия определения параметров акустического поля за счет автоматического . выполнения пространственного преобразования Фурье в самых датчиках.
„„ Ц „„1818604 А1 имеет распределение по длине кабеля козффициента чувствительности к акустическому давлению к, достигаемому оболочкой волоконного световода, апроксимируемое выражением ч =ко +ки . соз (dl z+p), где di — заданные параметры; Koi, кц, P— параметры апроксимации; z — текущая координата вдоль линии кабеля; i — порядковый индекс световода. В световоды подают когерентный свет от лазера и регистрируют изменение фазы измерителем фазы оптического сигнала, светового потока в каждом световоде, как функцию времени Лр (t).
Осуществляют временный спектральный анализ полученных сигналов анализатором спектра. По величине N — гармоники сигнала, полученного из 1-го световода, определяют амплитуду плоской составляющей акустической волны с частотой а1 и направлением распространения, составляющим угол Ос линией кабеля, определяемый выражением О= arccos (d>v/ а), где ч — скорость распределения акустической волны. 1 ил.
Поставленная цель достигается тем, что в известном способе регистрации акустической волны путем воздействия акустическим полем на систему датчиков и определения амплитуд отдельных пространственно-частотных компонент акустической волны по результатам обработки регистрируемых с датчиков сигналов. В заявленном способе воздействия акустическим полем осуществляют на систему
1818604 датчиков, выполненную в виде развернутого в прямую линию оптического кабеля, состоящего из волоконных световодов, каждый из которых имеет распределение по длине кабеля коэффициента чувствительное и к акустическому давлению к1, аппроксимируемое выражением к (z) =коi +кы cos (d> z ++), где di заданные параметры i, к1, y — параметры аппроксимации, z — текущая координата вдоль линии кабеля, i — порядковый индекс световода, подают когерентный свет в упомянутые световоды и регистрируют изменениее фазы светового потока в каждом световоде как функцию времени Лр(т), осуществляют временной спектральный анализ полученных сигналов, по величине вгармоники сигнала, полученного из i — того световода оп ределяют амплитуду плоской составляющей акустической волны с частотой в и направлением распространения, составляющим угол Ос линией кабеля, определяемый выражением 0= агссоз (б!ч (го)), где ч— скорость распространения акустической волны.
Заявленный способ основан на особенностях воздействия акустического давления на механические и эластооптические свойства протяженных оптических световодов с распределенными параметрами. Эти особенности заключаются в том, что изменение оптической длины таких световодов под действием акустического давления происходит неодинаково по длине световода. На каждом бесконечно малом участке световода удельное изменение оптической длины определяется как мгновенным значением акустического поля в данной точке волокна р(г, T), так и значением коэффициента чувствительности световода к акустическому давлению в этой точке кабеля к (z) и пропорциональное их произведению. Изменение оптической длины световода в целом под действием акустического поля в каждый момент времени определяется суммированием удельных изменений оптической длины во всех точках волокна и пропорционально р(гд) к (г) dz, где 1— длина оптического кабеля. В заявленном способе изменение оптической длины световода в целом под действием акустического поля измеряется путем подачи в световод когерентного света и регистрацией изменения разности фаз Л р() как функции времени. Поскольку распределение коэффициента чувствительности к акустическому давлению по длине кабеля способе вь брано определенным образом, то рсгистрь пуомые со световодов сис нал»I l4(p (T) определяются
55 интегралами вида / р(гд) x1lcos(diaz)dz,т.е. представляют собой di компоненту пространственного преобразования Фурье акустического поля по координате, направленной вдоль линии оптического кабеля.
Таким образом, каждый световод в заявляемом способе обладает собственной диаграммой направленности при приеме гармонических акустических волн. В общем случае временной спектральный анализ позволяет получить набор спектров сигналов из каждого канала. При этом N- гармоника сигнала, полученного из Iканала,,оказывается пропорциональной амплитуде плоской составляющей воздействующего на систему акустического поля с собственной частотой и и направлением распространения, составляющим угол 0 = агссоз (d}v (0) )) с линией оптического кабеля. Угол в данном случае может изменяться от 0 до л /2 рад.
Докажем существенность признаков.
Воздействие акустическим полем на систему датчиков, выполненную в виде развернутого в прямую линию оптического кабеля, определяет необходимую геометрию взаимодействия акустического поля с системой датчиков. Выбор в кабеле таких оптических световодов, каждый из которых имеет собственное распределение по длине кабеля коэффициента чувствительности к акустическому давлению N аппроксимируемое выражением к1 (т) = Icosi + lc) i сов (d< z + p), где di — за-. данные параметры, ко, кд, р параметры аппроксимации, z — текущая координата вдоль линии кабеля, i — порядковый индекс световода, позволяет сформировать для каждого волокна свою диаграмму направленности для приема плоских компонент акустического поля и автоматически разделить суммарное воздействие на независимых составляющих. Подача когерентного света в пучок световодов необходима для регистрации изменения оптических свойств световодов под действием акустического поля, а также для интегрирования результатов этого воздействия в различных точках световода по всей длине световода. Регистрация изменения фазы светового потока как функции времени позволяет выделить из оптического фазомодулированного сигнала полезный сигнал, содержащий. информацию о воздействии акустического поля на данный световод, Временной спектральный анализ этих сигналов необходим для получения полного набора а — гармоник сигналов, каждая из которых пропорциональна амплитуде соответствующей плоской составляющей акустического поля.
1818604
Таким образом, каждый из признаков необходим, а все вместе они достаточны для достижения поставленной цели.
Только вся совокупность заявленных признаков в результате их взаимодействия 5 позволила выявить новое свойство, состоящее в избирательности воздействия плоских составляющих акустического поля на суммарное изменение оптической длины оптического световода с коэффициентом 10 чувствительности, распределенным по длине световода по гармоническому закону.
Это, в свою очередь, привело к достижению нового положительного эффекта, изложенного в цели изобретения — экспрессности и 15 упрощении способа регистрации акустической волны за счет автоматического выполнения пространственного преобразования
Фурье в самих датчиках.
Пример. Предложенный способ мо- 20 жет быть реализован для регистрации гидроакустической волны, создаваемой в точке наблюдения четырьмя независимыми излучателями, расположенными от нее на большом расстоянии (более 5 км). 25
На чертеже приведена блок-схема приспособления.
Приспособление содержит оптический кабель 1, волоконный световод 2, оболочка
3 волоконного световода, лазер 4, измери- 30 тель 5 фазы оптического сигнала, анализатор 6 спектра.
Излучатели имеют следующие параметры й,„=вщ/2к — частота излучения, бае†угол между направлением на излучатель и 35 выбранной на поверхности бассейна осью
7):
1. в1 = 500 Гц, 01 = 90
2. са=100 Гц, %=30
3. rug=173,2 Гц, 5=60 40
4. (.()4-2000 Гц, 04=75
Суммарное гидроакустическое поле от четырех источников имеет следующие распределения по оси в точке наблюдения:
P (Z, t) =, Pm COS (Ва (t + 7 ) + у)(р), m — 1 ч где v = 1500 м/с — скорость звука в воде, Р 50 — амплитуда звуковой волны от m-того излучателя в точке наблюдения.
Этим полем воздействуют на систему трех датчиков, выполненных в виде вытянутых вдоль оси параллельных волоконных 55 световодов 2, изготовленных специальным образом. Длина световодов 2-300 м. При производстве этих световодов 2 на них нанесена двуслойная защитная оболочка 3.
Толщина каждого слоя оболочки 3 неравномерна по длине световодэ 2 и определена в каждой точке Ы-того световода 2 по известной зависимости коэффициента чувствительностисветовода2кдавлению Ю ..от толщины слоев оболочки 3, таким образом, чтобы этот коэффициент изменялся по длине световода 2 по гармоническому закону с пространственной частотой dl, где d1 = О, 02 = 0,3628, бз = 1,878 м . Таким образом, получаются световоды 2 каждый иэ которых имеет распределение коэффициента чувствительности к акустическому давлению со следующими параметрами: рад к) =4 10 (1 +соз (di z+p) мкПа м где z — координата вдоль линии световода (изменяется от 0 до 300 м), (/)(— несущественный произвольный параметр.
В данные световоды 2 подают когерентный свет гелий-неонового лазера 4
ЛГН208Б мощностью 1 мВт в каждый световод. Воздействие акустического поля на волоконные световоды 2 приводит к тому. что фаза когерентного света лазера на выходе из каждого световода модулируется определенным образом.
Измерение модуляции фаз проводится в каждом световоде 2 измерителем фазы оптического сигнала 5 по известному способу преобразования оптического сигнала в электрический, основанному на эффекте нестационарной ЭДС в кристалле CaAs (полуизолированный). Этот способ позволяет преобразователь линейным образом фаэомодулированный оптический сигнал Лф(т) в амплитудный электрический 0(1) с коэффициентом преобразования К = 30 мВ/рад.
Сигнал 0((t) полученные с каждого канала, подают на многоканальный анализатор спектра 6 типа СК4-72 и восстанавливают составляющие временного спектра этих сигналов анализатором спектра 6.
Поскольку, как следует из вышеизложенного
+ () = (30» U((t) пропорциональны соответствующим амплитудам плоских составляющих акустической волны. При этом по величине а- гармоники сигнала, полученного из I-того световода определяют амплитуду плоской составляющей акустической волны с частотой m и направлением распространения, составляющим угол Ос линией кабеля, определяемый выражением 0= arccos (б(, ч /ц)), где v 1818604 Ц 1 1 — В Составитель А.Зарубин Техред M.Mîðãåíòàë Корректор M,Керецман Редактор Заказ 1937 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул,Гагарина, 101 — скорость распространения акустической волны. В нашем примере 01(в ) = 360 Р> Uz(ez) = 180 Pz 02(сиз ) = 180 Рэ Оз(аМ) =180 П Р4 Таким образом, определены плоские составляющие акустического поля, создаваемого четырьмя независимыми источниками. Из примера конкретной реализации хорошо видно, что при наличии оптического кабеля 1 с заданными свойствами, реализация способа не представляет особого труда. Этот способ более прост и отличается большим быстродействием по сравнению с известными. Формула изобретения Способ регистрации акустической волны путем воздействия акустическим полем на систему датчиков и определения амплитуд отдельных пространственно-частотных компонент акустической волны по результатам обработки регистрируемых с датчиков сигналов, отл и ча ющи йся тем, что,c целью повышения быстродействия определения параметров акустического поля за счет выполнения пространственного преобразования Фурье в самих датчиках, воздействие акустическим полем осуществляют на систему датчиков, выполненную в виде раз5 вернутого в прямую линию оптического: кабеля, состоящего из волоконных световодов, каждый из которых имеет распределение по длине. кабеля коэффициента чувствительности к акустическому давле10 нию е, аппроксимируемое выражением Ю (z) = al + ка соз (di z + p), где di — заданные параметры; кi, кя, р — параметры аппроксимации; z- текущая координата вдоль линии кабеля; i — порядковый индекс световода, подают когерентный свет в упомянутые световоды и регистрируют изменение фазы 20 светового потока в каждом световоде как . функцию времени Ар (с), осуществляют временной спектральный анализ полученных сигналов, по величине в — гармоники сигнала, полученного из Ио световода, on25 ределяютамплитуду плоской составляющей акустической волны с частотой в и направлением распространения. составляющим угол с линией кабеля, определяемый выражением О= arccos (dj ч(ш)), где v — скорость 30 распространения акустической волны.
