ES2904681T3 - Hidrófono totalmente óptico insensible a la temperatura y a la presión estática - Google Patents
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Abstract
Hidrófono de cavidad láser del tipo que comprende un elemento activo de fibra óptica (12) con rejillas de Bragg inscritas en la fibra óptica que forma la cavidad láser, que comprende una estructura mecánica que define una cavidad (11) llena de un fluido, dentro de la cual el elemento de fibra óptica (12) está colocado a lo largo del eje longitudinal de la cavidad, comprendiendo además la estructura mecánica: - un cuerpo rígido hueco (13) que define la cavidad (11) dentro de la cual se encuentra el elemento de fibra óptica (12), siendo el cuerpo rígido sustancialmente cilíndrico y/o con simetría de revolución respecto al eje longitudinal, - dos tapones (14, 15) configurados y dispuestos para cerrar los extremos del cuerpo rígido (13), a través de los cuales pasa el elemento de fibra óptica (12), estando dicho elemento de fibra óptica (12) unido a los tapones (14, 15) en los puntos de paso para estar permanentemente en tensión, estando el hidrófono caracterizado porque: los dos tapones (14, 15) tienen cada uno una parte rígidamente unida al cuerpo rígido (13) y una parte móvil que comprende una pared deformable (22) capaz de deformarse cuando se somete a variaciones de la presión ejercida por el medio externo en el que está sumergido el hidrófono, la deformación de los tapones provoca una variación de la longitud del elemento de fibra óptica (12); presentando cada uno de los dos tapones una forma de cuerpo hueco abierto por un extremo que se introduce en la cavidad (11) definida por el cuerpo rígido (13) para cerrar su extremo, presentando el cuerpo hueco una pared lateral (21) que define una cavidad interna (23) y la pared deformable, perpendicular al eje longitudinal de la cavidad (11) y que cierra el extremo de la cavidad interna (23), comprendiendo la pared lateral (21) un segmento C distante de la pared interna del cuerpo rígido (13) para deformarse libremente en la dirección longitudinal bajo el efecto de una variación de la temperatura del medio externo en el que está sumergido el hidrófono, provocando una variación de la longitud del elemento de fibra óptica (12) que compensa, al menos parcialmente, las variaciones de la frecuencia de emisión de la cavidad láser resultantes de estas variaciones de temperatura, la estructura mecánica comprende además un orificio pasante (16) configurado para comunicar la cavidad (11) con el entorno exterior y proporcionar un equilibrio de la presión estática entre el entorno exterior y el fluido contenido en la cavidad (11).
Description
DESCRIPCIÓN
Hidrófono totalmente óptico insensible a la temperatura y a la presión estática
La invención se refiere al campo general de los transductores acústicos submarinos o hidrófonos. Más concretamente, se refiere a hidrófonos ópticos basados en láser de fibra óptica.
En lo que se refiere a la realización de transductores acústicos submarinos, la utilización de fibras ópticas es una solución conocida que presenta ventajas reconocidas, entre las que se encuentran, en primer lugar, el pequeño tamaño de un hidrófono producido con dicha tecnología, y la posibilidad de producir un conjunto de hidrófonos a partir de la misma fibra mediante la multiplexación en esta misma fibra de la información de variación de presión detectada por los diferentes hidrófonos que forman este conjunto, estando cada hidrófono asociado a una longitud de onda determinada.
Sin embargo, para tener una sensibilidad suficiente para poder escuchar un nivel de señal acústica muy bajo, típicamente un nivel inferior a la fuerza del ruido del mar 0 según la escala de Knudsen, se sabe que es necesario amplificar la deformación de la fibra óptica inducida por la onda de presión mediante un dispositivo acústicomecánico adecuado.
Actualmente existen dos clases principales de hidrófonos de fibra óptica capaces de escuchar un nivel de ruido inferior al nivel del mar 0 y, por tanto, potencialmente utilizables en matrices de hidrófonos o antenas de hidrófonos para aplicaciones submarinas: los hidrófonos interferométricos de bobina de fibra óptica y los hidrófonos de cavidad láser de fibra óptica.
En los hidrófonos interferométricos de bobina de fibra óptica, la magnitud óptica que se mide es la variación de fase óptica acumulada en la longitud total de una fibra óptica (normalmente de 20 a 100 m), enrollada en un mandril flexible, configurado de modo que su diámetro varíe bajo el efecto de la presión acústica que se desea medir, lo que induce una variación dinámica de la longitud de la fibra óptica enrollada en él, un portabrocas, por ejemplo.
La variación dinámica de la longitud de la fibra óptica da lugar a una variación de la fase de la señal transportada por la fibra. Así, para una fibra óptica monomodo estándar de sílice, se puede demostrar que el cambio relativo de la fase de la señal es igual a aproximadamente 0,78 veces la deformación relativa de la longitud de la fibra. Esta variación de fase puede medirse con la precisión necesaria colocando el hidrófono en el brazo de un interferómetro de fibra óptica no equilibrado del tipo Michelson, por ejemplo.
La principal desventaja de este tipo de hidrófono es que no se puede miniaturizar lo suficiente. En efecto, para transmitir la información relativa a las mediciones de presión efectuadas por cada hidrófono que constituye una red, se pueden implementar diversas técnicas de interrogación y multiplexación bien conocidas por el experto en la materia. El objetivo de estos sistemas es conectar todos los hidrófonos asociados a una misma red con el sistema encargado de procesar estas mediciones mediante una única fibra óptica. Sin embargo, la multiplexación de un gran número de hidrófonos en una sola fibra requiere que las pérdidas de inserción de los hidrófonos a lo largo de la fibra sean bajas, normalmente inferiores a 1dB. Esto implica que, en cada hidrófono, la fibra óptica se enrolla en un mandril con un diámetro mínimo, a fin de limitar al máximo las pérdidas relacionadas con la flexión de la fibra. Sin embargo, incluso cuando se utilizan fibras ópticas microestructuradas con un radio de curvatura admisible muy pequeño (fibra para aplicaciones FTTH), es difícil conseguir un buen rendimiento en cuanto a sensibilidad y pérdida de inserción con un diámetro de bobinado considerablemente menor, de 15 o 20 mm.
Además, en la medida en que cada hidrófono que constituye el conjunto mide un valor de presión simple, es necesario introducir en el conjunto de hidrófonos uno o varios sensores de bobina de fibra óptica de referencia, no sometidos a presión acústica, para evitar, por sustracción, las variaciones de la sensibilidad intrínseca de la bobina de fibra óptica a la presión estática y a la temperatura. Este método tiene el inconveniente de tener que añadir sensores adicionales y de limitar el campo de utilización del hidrófono en inmersión (dinámica limitada del sensor) Los hidrófonos de cavidad láser de fibra óptica permiten la realización de hidrófonos de alta sensibilidad, es decir, capaces de escuchar un bajo nivel de ruido del mar. Su uso permite implementar técnicas de procesamiento óptico coherente para medir con precisión las variaciones de frecuencia de la señal óptica transportada por la fibra. Esta variación se produce tras la recepción de una señal acústica por una rejilla de Bragg inscrita en una fibra óptica activa, una fibra óptica dopada con erbio o erbio/itrio para una emisión en torno a 1,5 pm, por ejemplo.
De manera conocida, una rejilla de Bragg incluye, cerca de su centro, un salto de fase sustancialmente igual a n para constituir una cavidad láser de frecuencia única, el bombeo óptico de la cavidad se realiza mediante un diodo (diodo de bombeo) que puede ser deportado a gran distancia a través de una fibra óptica estándar. La frecuencia de emisión de la cavidad láser resultante depende del paso de la rejilla de Bragg y de la fase del desfase central. Por consiguiente, si la cavidad del láser se deforma uniformemente, la frecuencia de emisión del láser variará en las mismas proporciones con un coeficiente de 0,78 vinculado a las propiedades elasto-ópticas de la sílice que constituye la fibra.
De este modo, es posible multiplexar en longitud de onda varios hidrófonos de cavidad láser con diferentes longitudes de onda de funcionamiento, situadas en la banda de amplificación del material de dopaje de la fibra óptica activa: unos 40 hidrófonos, por ejemplo, en el caso de una fibra dopada con Erbio, para longitudes de onda situadas en la red de la ITU de 100 GHz de la banda C del Erbio.
Sin embargo, la deformación axial inducida por una presión acústica aplicada directamente sobre la superficie externa de la cavidad láser no es suficiente para alcanzar la sensibilidad hidrofónica compatible de un nivel inferior al ruido del mar fuerza 0 , teniendo en cuenta la DSP (densidad espectral de potencia) del ruido intrínseco del láser (del orden de ^0 H z/V Ñ z a -|kHz) que limita el ruido del sistema de interrogación. Se puede demostrar en efecto, que es necesaria una sensibilidad hidrofónica superior a al menos 100 o 110 dB Hz/Pa para poder escuchar el ruido del mar 0 según la escala de Knudsen en una banda de unos 10Hz a 10kHz.
Por lo tanto, es necesario amplificar la deformación de la cavidad inducida por la presión acústica mediante un dispositivo acústico-mecánico. Dada la sensibilidad intrínseca de la cavidad láser a la deformación, el objetivo del dispositivo acústico-mecánico es del orden de la nano-deformación/Pa con una respuesta estable en una banda amplia de frecuencias. Varias configuraciones conocidas permiten alcanzar estos valores. Sin embargo, en todas estas configuraciones, el hidrófono conserva una sensibilidad intrínseca a la temperatura al menos igual que la de la cavidad láser, así como una sensibilidad a la presión estática, a menos que se combine con un filtro hidrostático voluminoso.
La solicitud de patente WO2010/135723 divulga un hidrófono con una cavidad láser de fibra óptica que tiene al menos una membrana deformable integrada con dicha fibra óptica fijada al cuerpo rígido que define la cavidad láser. La membrana es deformable por una diferencia en las presiones ejercidas sobre sus caras, lo que provoca una variación en la longitud de la fibra óptica.
Así, en el estado actual de la técnica, ninguna solución técnica perteneciente a una de estas dos clases garantiza intrínsecamente la insensibilidad de un hidrófono de fibra óptica a las variaciones de presión estática así como a las variaciones de temperatura. Sin embargo, el funcionamiento de un hidrófono en diversas condiciones ambientales (variación de la inmersión y la temperatura, aceleración) sólo es realmente posible si el comportamiento del hidrófono es realmente independiente de la profundidad de inmersión, es decir, de la presión estática, la temperatura y las aceleraciones.
Además, en el caso de las redes de sensores, también es muy importante disponer de sensores acústicos con longitudes de onda de interrogación estables, de forma que se pueda acceder a los diferentes sensores a través de una única fibra óptica mediante multiplexación y realizar la multiplexación y demultiplexación en longitud de onda de la información de presión transmitida por los diferentes sensores simplemente utilizando componentes pasivos de fibra óptica.
Un objetivo de la invención es proporcionar una estructura para fabricar un hidrófono óptico que sea intrínsecamente insensible a las variaciones de presión y temperatura estáticas, y que tenga una muy buena sensibilidad hidrofónica. Otro objetivo de la invención es proporcionar una estructura de bajo volumen. Otro objetivo es proponer una estructura que permita la realización de un hidrófono óptico capaz de funcionar satisfactoriamente en una amplia banda de frecuencias y hasta profundidades muy elevadas con una sensibilidad muy baja a las aceleraciones. Para ello, el objeto de la invención es un hidrófono de cavidad láser del tipo que comprende un elemento de fibra óptica activo con rejillas de Bragg inscritas en la fibra óptica que forma la cavidad láser que comprende una estructura mecánica que define una cavidad llena de fluido, dentro de la cual el elemento de fibra óptica se coloca a lo largo del eje longitudinal de la cavidad, comprendiendo además la estructura mecánica:
- un cuerpo rígido hueco que define la cavidad dentro de la cual se encuentra el elemento de fibra óptica, siendo el cuerpo rígido sustancialmente cilíndrico y/o con simetría de revolución respecto al eje longitudinal,
- dos tapones configurados y dispuestos para cerrar los extremos del cuerpo rígido por el que pasa el elemento de fibra óptica, estando dicho elemento de fibra óptica unido a los tapones en los puntos de paso para estar permanentemente en tensión;
los dos tapones tienen cada uno una parte rígida unida al cuerpo rígido y una parte móvil que comprende una pared deformable que puede deformarse cuando se somete a variaciones de la presión ejercida por el medio externo en el que está sumergido el hidrófono, la deformación de los tapones da lugar a una variación de la longitud del elemento de fibra óptica, cada uno de los dos tapones tiene la forma de un cuerpo hueco abierto por un extremo que se introduce en la cavidad definida por el cuerpo rígido para cerrar su extremo, el cuerpo hueco tiene una pared lateral que define una cavidad interna y la pared deformable, perpendicular al eje longitudinal de la cavidad y que cierra el extremo de la cavidad interna, la pared lateral que comprende un segmento C distante de la pared interna del cuerpo rígido, de modo que se deforme libremente en la dirección longitudinal bajo el efecto de una variación de la temperatura del medio externo en el que está sumergido el hidrófono, provocar una variación de la longitud del elemento de fibra óptica que compense, al menos parcialmente, las variaciones de la frecuencia de emisión de la cavidad láser resultantes de estas variaciones de temperatura,
la estructura mecánica comprende además un orificio pasante para comunicar la cavidad con el entorno exterior y lograr el equilibrio de la presión estática entre el entorno exterior y el fluido contenido en la cavidad.
Según un modo de realización particular, en el que el fluido contenido en la cavidad es poco o nada viscoso, las dimensiones, longitud Ioriticio y sección Sorificio, del orificio pasante se determinan, teniendo en cuenta la viscosidad del fluido contenido en la cavidad del hidrófono, de tal manera que la cavidad del hidrófono tiene, teniendo en cuenta su volumen Vcavidad, una ley de variación de su sensibilidad, en función de la frecuencia de las variaciones de presión, que comprende una sensibilidad sustancialmente constante en una gama determinada de frecuencias, inferior a la frecuencia F2, entre la frecuencia F2, correspondiente al pico de resonancia mecánica de la cavidad, y un pico de resonancia a una frecuencia F1 igual a la frecuencia de Helmholtz fh de la cavidad definida por:
Donde c representa la velocidad de las ondas acústicas en el fluido considerado, y donde la frecuencia fh es lo más baja posible.
Según una variante de la realización anterior en la que el fluido contenido en la cavidad es viscoso, la frecuencia F1 es igual a la frecuencia de corte fp de la cavidad definida por la relación:
01 ‘ orifici Aon r ^ r 2
fp —■
16-ni,orificitVcavidad
donde p es la densidad del fluido, c es la velocidad de las ondas sonoras en el fluido, Rorificio es el radio del orificio y r| es la viscosidad del fluido, donde la frecuencia fp es la más baja posible.
Según una realización particular, la pared lateral comprende además un primer segmento B para el cual el espesor del material que constituye la pared se determina de manera que la pared lateral del tapón entre en estrecho contacto (de sellado) con la pared interior del cuerpo rígido, a fin de asegurar una conexión rígida entre el cuerpo rígido y el tapón.
Según una variante de la realización anterior, la pared lateral del tapón comprende además un segmento terminal A cuyo espesor define un hombro que hace tope con el extremo del cuerpo rígido cuando el tapón se coloca en él. Según una realización particular, la cavidad que alberga el elemento de fibra óptica contiene una espuma abierta, estando dicha espuma impregnada del fluido contenido en la cavidad, siendo el material que constituye la espuma el que amortigua los modos propios de resonancia del elemento de fibra óptica.
Según una realización particular, el orificio pasante es un orificio circular que atraviesa la pared del cuerpo rígido. Según otra realización particular, el orificio pasante es un orificio circular cortado longitudinalmente a través del espesor de la pared lateral de un tapón.
Según otra realización particular, el cuerpo rígido está hecho de titanio o vidrio.
Según otra realización particular, los tapones están hechos de plástico PPO o polioximetileno (POM) o incluso de poliformaldehído.
Según un ejemplo que no forma parte de la invención, siendo el cuerpo rígido o los tapones total o parcialmente de un material poroso, el orificio pasante está formado por los poros del material.
Las características y ventajas de la invención se apreciarán mejor a partir de la siguiente descripción de una realización particular, que no es limitativa del alcance de la invención, basada en las figuras adjuntas que muestran: - la figura 1, una ilustración esquemática que muestra la estructura general del hidrófono según la invención; - la figura 2, una ilustración esquemática que muestra la estructura general de los tapones que constituyen los extremos del hidrófono según la invención;
- las figuras 3 y 4, ilustraciones que muestran el comportamiento del hidrófono según la invención bajo la acción de variaciones dinámicas de la presión ejercida por el medio externo;
- la figura 5, una curva que muestra la forma de la ley de variación de la sensibilidad de un hidrófono según la invención en función de la frecuencia de variación de la presión ejercida por el medio externo;
- la figura 6, una curva que muestra la variación de la sensibilidad del hidrófono según la invención en función de la compresibilidad del fluido contenido en la cavidad del hidrófono;
- las figuras 7 y 8, ilustraciones que muestran la estructura del hidrófono según la invención en una realización particular.
El resto de la descripción presenta las características del hidrófono óptico según la invención, a través de una realización preferente, tomada aquí como un ejemplo no limitante del alcance o extensión de la invención. La estructura de esta realización particular, así como una explicación de su principio de funcionamiento, se ilustra en particular en las figuras 1 a 6.
El hidrófono según la invención comprende una estructura mecánica de protección que define una cavidad 11 dentro de la cual se encuentra un elemento de fibra óptica con rejilla de Bragg 12. Además de una función de protección, esta cavidad tiene también la función conocida de amplificar la deformación axial impuesta al elemento de fibra óptica 12 por la presión dinámica ejercida por el medio externo.
De manera conocida, el elemento de fibra óptica 12 que constituye la cavidad láser de frecuencia única con rejilla de Bragg, que forma la parte sensible del hidrófono, realiza tres funciones distintas:
- una función de sensor de presión que aprovecha la variación de la frecuencia de emisión de la cavidad láser asociada a una deformación elástica axial, en estiramiento y/o en retracción, de la cavidad de fibra óptica que constituye el elemento principal del sensor;
- una función de transmisión para la señal luminosa que lleva la medición;
- una función de multiplexación gracias a la selectividad de la longitud de onda dada por la rejilla de Bragg constituida por el elemento de fibra óptica 12, parte activa del hidrófono.
En el texto siguiente, en la medida en que se conocen las características de la cavidad láser de fibra óptica de frecuencia única utilizada, se describirán más particularmente las características técnicas de la estructura mecánica que forma la cavidad 11 del hidrófono según la invención que encierra el elemento de fibra óptica 12.
Desde un punto de vista general, tal como se ilustra en las figuras 1 y 2, el hidrófono óptico según la invención está constituido por una estructura mecánica que comprende un cuerpo rígido de forma cilíndrica 13 cerrado en cada lado por un tapón 14 o 15.
En general, la invención considera la noción de cilindro en su definición más general. Aquí se considera la definición matemática de un cilindro, que puede ser, por ejemplo, un prisma recto en el caso de una base poligonal o un cilindro de revolución en el caso de una base circular.
Sin embargo, para minimizar la sensibilidad a la aceleración transversal, es preferible utilizar un cilindro de revolución debido a su simetría axial, que le confiere cierta insensibilidad a este tipo de aceleraciones. Además, debido a la existencia de un plano de simetría del cilindro, perpendicular a la fibra, el uso de un cilindro de revolución también minimiza la sensibilidad a las aceleraciones axiales parásitas.
En una realización preferente, el cuerpo rígido es por tanto un cilindro recto de revolución cuya línea generadora es el eje de la fibra óptica.
Alternativamente, en otra realización, el cuerpo rígido es un hiperboloide o elipsoide generalizado. Además, como en el caso del cilindro de revolución, una geometría de revolución minimiza la sensibilidad a las aceleraciones transversales parásitas.
Así, si definimos el marco de referencia ortonormal (Oxyz) donde O es el centro de la fibra y (Oz) es el eje de la fibra, obtenemos la ecuación genérica que define un hiperboloide o elipsoide de revolución:
donde f es una función estrictamente positiva.
La sensibilidad a las aceleraciones axiales espurias puede entonces minimizarse si z = 0 es un plano de simetría. Para ello, la función f debe ser una función par.
Los tapones 14 y 15 están configurados para formar dos pistones situados en los dos extremos del cuerpo cilíndrico cuyo desplazamiento, deformación, bajo la acción de las variaciones de la presión ejercida por el medio, varía el volumen de la cavidad 11 así como la longitud del elemento de fibra óptica con rejilla de Bragg 12 alojado en esta cavidad.
El elemento de fibra óptica 12, que constituye la parte activa del hidrófono, está situado a lo largo del eje central del cuerpo cilíndrico 13 que define la cavidad 11. De este modo, entra y sale de la cavidad 11 a través de las paredes de los tapones 14 y 15, a cuyas paredes está unido de tal manera que cuando el hidrófono está montado, está sometido a un pretensado. De este modo, la deformación (desplazamiento) de los tapones 14 y 15 bajo la acción de
la presión ejercida por el medio 2, conduce sistemáticamente a una variación de la longitud del elemento de fibra óptica 12 encerrado en la cavidad 11.
El dispositivo según la invención comprende también uno o varios orificios pasantes 16 cuya función es poner en contacto permanente el medio interno contenido en la cavidad 11, delimitada por el cuerpo cilíndrico 13 y los dos tapones 14 y 15, con el medio externo. Ventajosamente, los orificios 16 permiten que las presiones dentro y fuera de la cavidad 11 se equilibren entre sí para que el dispositivo sea insensible a la presión estática. Como resultado, la presión estática dentro y fuera de la cavidad 11 es la misma, y los pistones formados por los tapones 14 y 15 no se ven afectados por ella. De este modo, el elemento de fibra óptica con rejilla de Bragg 12 no se ve sometido a esfuerzos por parte de los tapones como consecuencia de la presión estática ejercida sobre ellos.
Según la invención, las características dimensionales de la cavidad 11 formada y el tamaño y la disposición de los tapones 14 y 15 y de los orificios de comunicación 16 se determinan de manera que se consiga la siguiente funcionalidad:
- una amplificación mecánica suficiente de la deformación causada por la presión dinámica ejercida por el entorno exterior sobre el elemento de fibra óptica 12, para lograr la sensibilidad hidrofónica deseada;
- un filtrado hidrostático de paso bajo para poner la cavidad láser, constituida por el elemento de fibra óptica 12, en equi-presión con la presión del medio que rodea al hidrófono, para las variaciones de presión de la frecuencia por debajo de una frecuencia de corte determinada;
- una compensación de las variaciones de la frecuencia de emisión de la cavidad del láser de fibra 12 con la temperatura;
- una minimización de la sensibilidad a las aceleraciones parásitas.
Por consiguiente, según la invención, el cuerpo cilíndrico 13 consiste en un tubo cilíndrico de un material rígido que lo hace poco deformable bajo el efecto de la presión.
En una realización preferente, está hecho de titanio, siendo el titanio elegido por su rigidez y baja expansión térmica. Alternativamente, también puede estar hecho de cualquier material rígido adecuado compatible con el fluido de llenado.
El cuerpo cilíndrico 13 es rígido en su estructura y, por lo tanto, ventajosamente sólo toma una parte insignificante en la deformación global. Por lo tanto, no interviene en la amplificación de la deformación ejercida por la estructura sobre la cavidad óptica constituida por el elemento de fibra óptica 12, estando esta amplificación asegurada por los tapones 14 y 15.
El espesor E de la pared del cuerpo cilíndrico 13, generalmente constante, se define también para garantizar la rigidez necesaria en función de la presión máxima a la que está sometido. Su longitud L viene impuesta por la longitud de la porción de fibra óptica que debe albergar, siendo esta longitud preferentemente suficiente para que el elemento de fibra óptica 12 se fije a los tapones 14 y 15 en una zona 18 o 19 de simple conducción de la luz, que no corresponde a la rejilla de Bragg que forma la cavidad del láser, la rejilla de Bragg, de longitud l1, por lo que no se fija directamente a los tapones 14 y 15 por sus extremos.
El diámetro interno D del cuerpo cilíndrico 13 se define en función de las características dimensionales impuestas a los tapones 14 y 15 para cumplir su función de amplificación y compensación de los efectos de las variaciones de temperatura en el comportamiento de la cavidad óptica formada por el elemento de fibra óptica 12.
Según la invención, los tapones 14 y 15 están configurados para realizar diferentes funciones:
- una función convencional de cierre del cuerpo cilíndrico 13, cuya finalidad es sellar herméticamente la cavidad 11 de forma que el ambiente interno se comunique directamente con el externo sólo a través de los orificios 16 previstos en la estructura del hidrófono;
- una función de mantener bajo tensión el elemento de fibra óptica alojado en la cavidad 11, en particular el elemento 12 que forma la cavidad láser;
- una función para modular la tensión aplicada al elemento de fibra óptica en función de los cambios de temperatura del medio;
- una función de pistón para variar la longitud del elemento de fibra óptica 12 alojado en la cavidad 11 bajo la acción de variaciones dinámicas de la presión ejercida sobre el hidrófono, un aumento de la presión que provoca un desplazamiento de los tapones, o al menos del extremo interior de los tapones, hacia el interior de la cavidad 11 y una disminución de la tensión impuesta al elemento de fibra óptica 12 y una disminución de la presión que provoca un desplazamiento inverso y un aumento de la tensión impuesta al elemento de fibra óptica
Posteriormente, para cumplir estas funciones, son concebibles diversas realizaciones de los tapones 14 y 15, en particular realizaciones que implementan tapones que tienen una porción, rígidamente conectada al cuerpo cilíndrico 13, destinada a mantener el tapón en su lugar, y una porción móvil o libremente deformable capaz de moverse dentro de la cavidad, hacia el centro de la cavidad o hacia su extremo, arrastrando en su movimiento el elemento de fibra óptica 12 unido a ella.
Para ello, los tapones 14 y 15 pueden estar hechos, por ejemplo, al menos en parte, de un material elástico, de un material sustancialmente menos rígido que el material que constituye el cuerpo cilíndrico 13, de plástico PPO del tipo Noryl® por ejemplo o de polioximetileno (POM) o poliformaldehído, del tipo Delrin® por ejemplo.
La figura 2 muestra la estructura de los tapones implementados en la realización preferente tomada como ejemplo. En esta realización particular, cada tapón 14 o 15 está formado por un cuerpo hueco que comprende una pared 21. Esta pared 21 define una cavidad cilíndrica 23 en sentido matemático. En el caso de que esta cavidad cilíndrica sea un cilindro, tiene un diámetro interior constante d. La cavidad cilíndrica 23 tiene un eje de simetría coincidente con el del cuerpo cilíndrico y una pared elástica D 22, por ejemplo en forma de disco, perpendicular al eje de simetría de la cavidad cilíndrica 11 y que cierra un extremo de la cavidad 23, estando el otro extremo abierto. El tapón así formado está destinado a ser introducido en la cavidad 11 por su extremo cerrado por la pared 22. El cuerpo hueco y la pared 21 son, por ejemplo, cuerpos cilíndricos en sentido matemático del término.
Según esta realización, la pared 21 es una pared cuyo espesor no constante define esencialmente dos segmentos distintos B y C para los cuales el tapón tiene diámetros exteriores distintos. Sin embargo, este muro también podría incluir sólo el segmento libre C.
La pared 21 del tapón comprende así un primer segmento B, cuyo espesor está definido de tal manera que cuando éste se inserta en la cavidad 11 del hidrófono, su pared, a nivel del segmento B, se pone en contacto estrecho, preferentemente sellado, con la pared interna del cuerpo cilíndrico 13, por ejemplo, mediante un ajuste hermético, de manera que la pared del tapón se mantiene en una posición fija en la cavidad 11 del hidrófono a nivel del segmento B.
También comprende un segundo segmento C cuyo espesor es menor que el del segmento B. De este modo, al no estar el segmento C en contacto con la pared interna del cuerpo cilíndrico 13, parece estar libre para expandirse o contraerse longitudinalmente, en función de las variaciones de temperatura en particular.
Según una realización particular, la pared 21 puede comprender además un segmento final A cuyo espesor define un hombro que hace tope con el extremo del cuerpo cilíndrico 13 cuando el tapón se coloca en el cuerpo cilíndrico 13.
Cabe señalar que los tapones pueden, según la forma geométrica del cuerpo rígido, tener forma cilíndrica, hiperboloidal o elipsoidal, siempre que tengan los 3 segmentos: el segmento B en contacto estrecho y apretado con el cuerpo rígido, el segmento C libre de dilatarse con las variaciones de temperatura y cuya longitud proyectada sobre el eje de la fibra es igual a x, y la pared D, 22 perpendicular a la fibra.
En otras palabras, el tapón comprende una porción rígidamente conectada al cuerpo 13. Esta parte rígidamente conectada al cuerpo cilíndrico 13 comprende las partes A y B, pero podría igualmente estar hecha de otra manera, siempre que el tapón esté rígidamente conectado al cuerpo cilíndrico 13.
La porción del tapón que es libre de deformarse es capaz de moverse dentro de la cavidad, arrastrando en su movimiento el elemento de fibra óptica 12 que comprende la porción C que es libre de expandirse o contraerse longitudinalmente en función de las variaciones de temperatura. Esta parte también incluye la membrana D.
En efecto, cada uno de los dos tapones debe tener una porción rígidamente unida al cuerpo 13 y una porción móvil con respecto al cuerpo 13 que comprende una pared deformable capaz de ser deformada cuando se somete a variaciones de la presión ejercida por el medio externo en el que está sumergido el hidrófono, siendo la deformación de los tapones la que provoca una variación de la longitud del elemento de fibra óptica 12. La pared deformable tiene una cara interior 221 orientada hacia el interior de la cavidad y una cara exterior 222 orientada hacia el exterior de la cavidad. Está dispuesto de tal manera que su cara interna 221 puede desplazarse en traslación con respecto al cuerpo rígido 13 a lo largo del eje longitudinal de la cavidad bajo el efecto de una variación de la temperatura del medio exterior en el que está sumergido el hidrófono, lo que da lugar a una variación de la longitud del elemento de fibra óptica 12, que compensa, al menos parcialmente, las variaciones de la frecuencia de emisión de la cavidad láser resultantes de estas variaciones de temperatura.
El material y la geometría de las partes móviles de cada uno de los tapones, incluida la longitud de la parte móvil de cada uno de los tapones, son tales que la deformación de los tapones bajo el efecto de un aumento de la temperatura conduce a una reducción de la longitud de la fibra mantenida entre los dos tapones, lo que tiene como efecto reducir o incluso anular el aumento de la longitud de onda de emisión de la cavidad láser debido al aumento del índice óptico de la fibra bajo el efecto de este aumento de la temperatura.
En la invención, la pared deformable es la pared elástica 22. Esta pared es trasladable a lo largo del eje longitudinal bajo el efecto de las variaciones de temperatura porque la parte C es capaz de contraerse o expandirse libremente en la dirección longitudinal bajo el efecto de las variaciones de temperatura, lo que conduce a un desplazamiento de la pared elástica 22 en la dirección longitudinal con respecto al cuerpo 13.
Los tapones, en ejemplos ajenos a la invención, podrían hacerse de forma diferente. Los tapones podrían diseñarse con una parte fija con respecto al cuerpo rígido 13 y una parte móvil en traslación con respecto al cuerpo 13 a lo largo del eje de la cavidad, consistente en una pared deformable 22 perpendicular al eje de la cavidad. El movimiento de traslación de la cara interior 221 a lo largo del eje de la cavidad se generaría entonces por la expansión y contracción de la pared deformable.
Desde un punto de vista dinámico, el funcionamiento del dispositivo según la invención tiene tres estados:
- Un estado de reposo, ilustrado en la figura 1, en el que la presión en el interior de la cavidad y la presión del entorno exterior son idénticas. En este estado, las tensiones ejercidas por los medios externos e internos sobre los tapones, en particular sobre las paredes 22, están equilibradas para que los tapones no sufran ninguna deformación (es decir, ni estiramiento ni compresión).
- Un primer estado dinámico, ilustrado en la figura 3, en el que la presión ejercida por el medio externo experimenta un rápido aumento que conduce a la aparición de una presión resultante, mostrada por las flechas 31 en la figura 3. Esta presión resultante da lugar a una deformación de las paredes elásticas 22 de los tapones 14 y 15, que da lugar, en la realización preferente tomada como ejemplo, a una flexión Ax2 de la pared elástica 22 del tapón dentro de la cavidad del hidrófono. Esta deformación, que conduce a una disminución del volumen de la cavidad y, en consecuencia, a un aumento de la presión interna, continúa hasta que las presiones interna y externa vuelven a estar en equilibrio. En la figura 3, la posición inicial del tapón se muestra como una línea de puntos.
- Un segundo estado dinámico, ilustrado en la figura 4, en el que la presión ejercida por el medio externo experimenta una rápida disminución que conduce a la aparición de una presión resultante, mostrada por las flechas 41 en la figura 4. Esta presión resultante da lugar a una deformación de los tapones 14 y 15 que, en la realización preferente tomada como ejemplo, da lugar a una flexión inversa Ax3 de la pared elástica 22 del tapón. Esta deformación, que conduce a un aumento del volumen de la cavidad y, en consecuencia, a una disminución de la presión interna, continúa hasta que las presiones interna y externa vuelven a estar en equilibrio. En la figura 4, la posición inicial del tapón se muestra como una línea de puntos.
Según la invención, el elemento de fibra óptica 12 está, como se ha dicho anteriormente, fijado a la pared 22 de cada uno de los tapones que cierran la cavidad de manera que, al montar el hidrófono, éste sufre una pre-tensión. El valor de esta pre-tensión se define de manera que cuando el tapón sufre su máxima elongación bajo la acción de un aumento de la presión del medio externo, elongación que puede acumularse con las variaciones de longitud debidas a la temperatura, el elemento de fibra óptica 12 se retrae pero sin embargo permanece bajo el efecto de una tensión residual que lo mantiene recto, en tensión, como se ilustra en la figura 3. Así, cuando la presión resultante varía entre un valor máximo (positivo) y el valor mínimo (negativo) considerado, pasando por un valor cero (equilibrio de presiones), el elemento de fibra óptica 12 ve variar su longitud desde un valor máximo l3 hasta un valor mínimo l2, pasando, en equilibrio, por una longitud l1, permaneciendo siempre bajo tensión, cualquiera que sea la temperatura considerada en el rango de temperatura en cuestión.
Desde el punto de vista dimensional, el dispositivo según la invención está definido para satisfacer diferentes requisitos.
Así, la longitud L del cuerpo cilíndrico 13 está determinada, en una realización preferente, tanto por la longitud del elemento de fibra óptica con rejilla de Bragg 12 alojado en la cavidad, cuya longitud viene impuesta por la construcción, como, en menor medida, por la frecuencia de resonancia de la cavidad.
Así, las dimensiones del orificio o los orificios pasantes 16, cuyo orificio o cuyos orificios se establecen según la invención para garantizar la insensibilidad del dispositivo a la presión estática, se definen de manera que se disponga de una gama óptima de frecuencias de funcionamiento, es decir, una gama de frecuencias en la que la sensibilidad del dispositivo se ajusta al valor esperado.
En la práctica, las dimensiones del orificio 16 pueden determinarse asimilando este último a un cilindro de radio Rorificio y longitud Ufido y considerando la curva de variación de la sensibilidad de una cavidad a las variaciones de presión en función de la frecuencia de estas variaciones.
Como se desprende de la ilustración de la figura 5, una cavidad como la constituida por el dispositivo según la invención presenta, bajo el efecto de las variaciones de presión y debido a la presencia del orificio 16 y a la viscosidad del medio en el interior de la cavidad en particular, uno o dos picos de resonancia 51 y 52 a las frecuencias f y f2 , estando estas frecuencias definidas tanto por el volumen de la cavidad como por las dimensiones (Rorificio eorificio Iorificio).
Las dos curvas de la figura 5 muestran dos comportamientos distintos a bajas frecuencias, es decir, ante variaciones de baja frecuencia de la presión ejercida por el medio, en función de la viscosidad del fluido contenido en la cavidad. El primer comportamiento, ilustrado por la línea de puntos, corresponde al de los fluidos poco viscosos o no viscosos, mientras que el segundo comportamiento, ilustrado por la línea continua, corresponde al de los líquidos viscosos. El primer comportamiento da lugar a la presencia de dos picos 51 y 52, mientras que el segundo comportamiento da lugar a la presencia de un único pico 52.
Para los fluidos de baja viscosidad, el pico 51 indica que el comportamiento de la cavidad a frecuencias muy bajas es similar al de una cavidad de Helmholtz. El pico de resonancia 51 aparece para variaciones de baja frecuencia, en particular cuando se considera que el fluido dentro de la cavidad no es viscoso y/o cuando el orificio tiene un diámetro relativamente grande, del orden de un mm por ejemplo. Se observa que, para estas bajas frecuencias, la cavidad tiene un comportamiento similar al de una cavidad de Helmholtz y que la frecuencia de resonancia correspondiente al pico 51 es cercana a la frecuencia de resonancia de Helmholtz de la cavidad. Sin embargo, en el caso de un resonador de Helmholtz, la cavidad se modela generalmente mediante un sistema masa-muelle, en el que el orificio actúa como una masa y la cavidad como una rigidez. Según este modelo, si se considera que el cilindro es rígido, la frecuencia de resonancia viene definida por la siguiente relación:
Donde m — morificio _ pSorificio|orificio
] En consecuencia, la rigidez de una cavidad llena de un fluido se define, por analogía con la de una viga, por la relación:
cavidad
La frecuencia de Helmholtz tiene la expresión
En lo que se refiere a fluidos más viscosos, la cavidad a muy bajas frecuencias es simplemente asimilable a un sistema de primer orden modelado por el flujo de Poiseuille a través del orificio, que satisface la siguiente relación:
en la que Q es el caudal que atraviesa el orificio, n es la viscosidad del fluido y AP es la diferencia de presión entre el interior y el exterior de la cavidad en el orificio.
La presión dentro de la cavidad satisface entonces la ecuación diferencial:
_ r > 4d P _j_ *^V)rifu P = 71^ orificio PC
Po [5]
dt ^^I^orificitVcavidad ^ H i- “ ocrificiíVicavidad
La frecuencia de corte fp del sistema constituido por el orificio, el orificio pasante, se define entonces por la relación:
Como se ilustra en la figura 5, entre los dos picos de resonancia 51 y 52, o entre la frecuencia fp (no mostrada en la figura porque está demasiado cerca de cero para la escala utilizada) y la frecuencia del pico de resonancia 52 en el caso de un fluido viscoso, existe una gama de frecuencias intermedias para las que la cavidad tiene una sensibilidad no despreciable y sustancialmente constante, en la que la cavidad puede utilizarse para actuar como amplificador de las propias deformaciones de la fibra. En efecto, después del primer pico 51, o de la frecuencia de corte fp en el caso de un fluido viscoso, el orificio 16 se comporta como si estuviera cerrado, de modo que las variaciones de la presión exterior se transmiten al medio interno únicamente por los movimientos del pistón seguidos por los dos obturadores, o más precisamente por la pared elástica 22 del obturador que es libre de deformarse, movimientos que se transmiten al elemento de fibra óptica 12.
Cabe señalar que el segundo pico de resonancia corresponde aquí a una resonancia puramente mecánica originada por los dos tapones, cuya frecuencia depende por tanto esencialmente de la geometría de los tapones.
Según una realización, la geometría de la cavidad se optimiza para obtener la banda de utilización más amplia posible. En otras palabras, la geometría de la cavidad se optimiza para que la frecuencia f del primer pico, o la frecuencia de corte fp en el caso de un fluido viscoso, sea lo más baja posible y la frecuencia f2 del segundo pico sea lo más alta posible.
Sin embargo, además de los parámetros que entran en las expresiones de fH y fp (ver las relaciones 3 y 6), un cierto número de parámetros, como los parámetros geométricos de la cavidad, del pistón y del orificio, así como el material utilizado para el pistón o el fluido en el interior de la cavidad, pueden influir en estas frecuencias de resonancia: los estudios paramétricos realizados sobre la influencia de la geometría del hidrófono en los valores de las dos frecuencias, fi o fp por una parte y f2 por otra, permiten sacar a la luz diversos resultados.
Se observa así que, para un fluido que llena la cavidad con una viscosidad dada, el diámetro del orificio 16 no afecta significativamente a la frecuencia f2 del segundo pico 52. Por otra parte, se observa que la frecuencia fi del primer pico 51, así como la frecuencia fp, aumentan con el diámetro del orificio. Por lo tanto, es ventajoso poder ajustar el valor de las frecuencias de la cavidad fi o fp eligiendo adecuadamente el diámetro del orificio.
Así, también se observa que, al contrario de lo que ocurre con el orificio 16, el diámetro de la cavidad influye en los valores de las frecuencias fi o fp, por un lado, y f2 , por otro. En concreto, se observa que los valores de fi, o fp, y f2 varían en el mismo sentido con el diámetro de la cavidad, hacia valores más bajos cuanto mayor es el diámetro. De este modo, es posible ajustar ventajosamente la posición de la gama de frecuencias útiles eligiendo adecuadamente el diámetro de la cavidad.
Se puede observar que, como antes pero en menor medida, la longitud de la cavidad influye simultáneamente en los valores de las frecuencias fi o fp, y f2 , variando los valores de fi, o fp, y f2 hacia valores más bajos a medida que la longitud de la cavidad es mayor.
Cabe señalar que otros parámetros también pueden influir, aunque en menor medida, en la posición en el eje de frecuencias y en la anchura de la banda de funcionamiento del hidrófono. Por ejemplo, la elasticidad del material utilizado para fabricar los tapones que cierran la cavidad del dispositivo según la invención o la naturaleza del fluido dentro de la cavidad. Sin embargo, como estos parámetros ajustan otras características de funcionamiento del aparato, no se tienen en cuenta a la hora de ajustar el rango de funcionamiento del aparato.
También desde el punto de vista dimensional, el diámetro, o más generalmente la abertura, del cuerpo cilíndrico i3 determina las dimensiones de los tapones y en particular las dimensiones de la pared cilíndrica 2 i de un tapón. A su vez, las dimensiones de un tapón se determinan para conseguir la amplificación deseada de la deformación longitudinal impuesta al elemento de fibra óptica por las variaciones de presión y para compensar los efectos de las variaciones de temperatura en la longitud I del elemento de fibra óptica.
En particular, la insensibilidad del dispositivo según la invención a las variaciones de temperatura se consigue ajustando la geometría de los tapones. En efecto, las variaciones de temperatura provocan, por una parte, una variación de índice en la fibra i2 y, por otra, una variación de la longitud de los tapones i4 y i5 en el origen del alargamiento o de la retracción de la fibra i2.
Por lo tanto, una elección juiciosa de las dimensiones del tapón, para un material de tapón dado, permite que la variación de la frecuencia de emisión de la cavidad láser de fibra óptica i2 bajo la acción de la temperatura sea compensada exactamente o sustancialmente por la variación de la longitud de este elemento de fibra óptica en función de la temperatura.
Así, para un cambio en la temperatura AT, el cambio en la longitud de onda A debido al cambio en el índice n del elemento de fibra óptica i2 se define por la relación:
La variación de la longitud de onda A en función de la variación de la longitud L de la fibra se define por la relación:
En consecuencia, para compensar la variación del índice, la variación de la longitud Lfibra para una variación de la temperatura AT debe conducir a una variación de la longitud de onda A opuesta a la variación causada por la variación del índice n. La variación de la longitud Lfibra se define, pues, por la siguiente igualdad:
^Lfibra _ X . d n AT.
lfibra Kn dT [9]
io
Sin embargo, en lo que respecta al dispositivo según la invención, si se considera que el cuerpo cilindrico 13 que define la cavidad es rígido y poco sensible a las variaciones de temperatura consideradas, es posible expresar ventajosamente la elongación ALf¡bra sufrida por el elemento de fibra óptica 12 alojado en la cavidad, elemento integral con los tapones 14 y 15, en función de la variación de longitud de los tapones bajo el efecto de la variación de temperatura AT y así dimensionar los tapones adecuadamente para que su variación de longitud resulte en la variación ALfibra de la longitud de la fibra que permita compensar la variación del índice n de forma exacta o sustancial. Esto puede lograrse de varias maneras.
En el caso de la realización preferente utilizada como base para la descripción de la invención, ilustrada por las figuras 1 y 2 en particular, el dimensionamiento del tapón se realiza considerando que ALfibra se define por las siguientes relaciones:
En la que atubo y apistón representan los coeficientes de dilatación térmica de los materiales que constituyen el cuerpo cilindrico 13 y los tapones 14 y 15 respectivamente, o al menos la sección libre C, de los tapones y AT la variación de temperatura. La longitud x es la longitud de la parte móvil, que en este caso es la longitud de la sección libre C. Por lo tanto, para lograr una compensación eficaz de la temperatura, las dimensiones de los tapones deben determinarse de manera que la longitud x se defina mediante la siguiente relación:
Se recuerda que Lfibra es la longitud de la fibra, que atube y apiston representan los coeficientes de dilatación térmica de los materiales que constituyen respectivamente el cuerpo cilindrico 21 y los tapones 14, 15 o, al menos, la sección libre C, n representa el índice de la cavidad, dn/dT la variación del índice de la cavidad por unidad de temperatura.
Se observa que esta longitud x es independiente de AT y depende únicamente de las propiedades de los materiales utilizados y de la longitud Lfubra de la fibra fijada entre los tapones.
En general, el tapón puede tener diferentes formas, pero siempre es posible encontrar un material y una geometría de la parte móvil de los tapones que satisfaga la relación 9 en un amplio rango de temperaturas. En el caso de una geometría compleja, se utiliza un cálculo térmico tridimensional mediante el método de elementos finitos para llegar a la longitud óptima de la parte móvil de los tapones.
Cabe señalar que, desde un punto de vista práctico, para evitar un pistón excesivamente largo, es ventajoso utilizar, como se ha mencionado anteriormente, un material con baja expansión térmica para hacer el cuerpo cilíndrico 13 y un material con alta expansión térmica para hacer los tapones 14 y 15. Por ejemplo, se puede elegir titanio para el cuerpo cilíndrico (atubo = 8,6 pm/m/K) y Delrin® para el pistón (apistón = 90 pm/m/K). Para una longitud de fibra de 42,5 mm, se obtiene una longitud x igual a 4,7 mm.
Como se ha indicado anteriormente, el dispositivo según la invención se define así, desde el punto de vista estructural, como un dispositivo que comprende un cuerpo cilíndrico 13 de un material rígido con un bajo coeficiente de dilatación y tapones 14 y 15 de un material con un alto coeficiente de dilatación, definiendo estos elementos una cavidad en la que se aloja el elemento de fibra óptica con rejilla de Bragg 12. Tal y como está definido e independientemente del fluido que llena la cavidad, el dispositivo es ventajosamente insensible a las variaciones de temperatura y a las variaciones de presión estática. Ventajosamente, amplifica las variaciones de longitud impuestas al elemento de fibra óptica 12 por las variaciones de presión dinámica. Sin embargo, estudios realizados en otros lugares muestran que la naturaleza del fluido contenido en la cavidad determina la sensibilidad del dispositivo.
En la práctica, la sensibilidad de este hidrófono depende poco de los parámetros geométricos. Depende principalmente de la compresibilidad del fluido utilizado. Por lo tanto, es posible aumentar la sensibilidad del hidrófono según la invención utilizando un fluido más compresible que el agua para llenar la cavidad del hidrófono. Por ejemplo, se puede elegir el aceite en lugar del agua. La curva de la figura 6 da la forma 61, para una variación dinámica de la presión con una frecuencia de 1 kHz, de la variación de la sensibilidad de un hidrófono óptico según la invención en función de la compresibilidad del fluido utilizado para llenar la cavidad.
Como también se ha mencionado en el texto anterior, el elemento de fibra óptica 12 alojado en la cavidad se fija a los tapones 14 y 15 de manera que se somete a un pretensado de tracción, cuyo valor se define de manera que, cualesquiera que sean las variaciones dinámicas de presión impuestas por el entorno exterior y cualquiera que sea el alargamiento debido a las variaciones de temperatura, se mantenga en tensión. Como resultado, el elemento de
fibra 12 se comporta como una cuerda vibrante cuya frecuencia de resonancia depende de su longitud libre y de su masa lineal, así como del pretensado que se le aplique.
La consecuencia de este pretensado es dar al elemento de fibra 12 frecuencias naturales de resonancia, cuyos valores dependen directamente de la pretensión aplicada. Sin embargo, en el contexto de la invención, el pretensado de tracción aplicado a la fibra depende directamente del rango de temperatura de funcionamiento. En efecto, la insensibilidad a la temperatura del dispositivo según la invención se consigue variando la longitud del elemento de fibra de manera que la longitud de onda A permanezca constante. La variación de la longitud de la fibra es a su vez inducida por la deformación de los tapones a los que está unida bajo la acción de la temperatura, especialmente la deformación axial.
Por lo tanto, como la fuerza de tracción F aplicada al elemento de fibra 12 es fija, también lo son los modos naturales de vibración del elemento de fibra 12. Sin embargo, uno o más de estos modos propios pueden corresponder a frecuencias de resonancia dentro del rango de uso del dispositivo, de modo que la sensibilidad del dispositivo se ve afectada para estas frecuencias.
Estos modos propios pueden determinarse de manera conocida considerando la fuerza de tracción F aplicada al elemento de fibra 12 para mantenerlo en pretensión y la velocidad de propagación de una onda de deformación a lo largo de la cuerda vibrante constituida por este elemento.
En efecto, la fuerza de tracción F aplicada al elemento de fibra 12 puede definirse mediante la siguiente relación:
F = kx =^ p5L [12]
donde E es el módulo de Young de la sílice (el material de la fibra), donde S e I son el área de la sección transversal y la longitud de la fibra respectivamente, y donde 8L es el alargamiento impuesto a la fibra. Este alargamiento se determina teniendo en cuenta el alargamiento de la fibra en función de la variación de temperatura considerada. La velocidad de propagación v de una onda en la cuerda vibrante constituida por el elemento de fibra 12, sometida a la fuerza de tensión F, se define además por la expresión:
Donde p es la masa lineal de la fibra.
Los modos propios de vibración de la cuerda se obtienen para longitudes de onda tales que:
donde L es la longitud de la fibra y n es un número entero.
Por lo tanto, las frecuencias naturales de resonancia de la cuerda vibrante constituida por el elemento de fibra óptica 12 están definidas por la siguiente relación:
Así, por ejemplo, para un elemento de fibra óptica de longitud I = 42mm fabricado a partir de una fibra de sílice de diámetro igual a 250pm y con una variación de longitud relativa igual a 9,36 pm/m/°C, el alargamiento SL de la fibra obtenido para una variación de temperatura de 50°C es sustancialmente igual a 23,4pm y la tensión F a aplicar es sustancialmente igual a 0,6N. La propia aplicación de esta tensión induce la aparición de frecuencias naturales de resonancia en el elemento de fibra óptica 12, la primera de las cuales tiene un valor sustancialmente igual a 1500Hz. En consecuencia, si este valor se sitúa en el rango de frecuencias de uso del hidrófono, este modo natural de resonancia se excitará en cuanto el medio externo ejerza una aceleración transversal de idéntica frecuencia. Dicha aceleración, debida esencialmente a las perturbaciones mecánicas provocadas, por ejemplo, por los movimientos de la antena acústica en la que está integrado el hidrófono, introduce una perturbación en la sensibilidad del mismo. Por consiguiente, en una configuración de este tipo, se hace necesario amortiguar los modos naturales de vibración del elemento de fibra óptica 12.
Según la invención, esta amortiguación puede obtenerse ajustando la viscosidad del fluido contenido en la cavidad del hidrófono.
Alternativamente, también puede lograrse encerrando el elemento de fibra 12 dentro de un cilindro metálico relleno de gel y centrando este cilindro dentro de la cavidad del hidrófono, cuya cavidad está a su vez llena de un fluido utilizado para transmitir las variaciones de presión impuestas por el entorno externo.
Alternativamente, también puede lograrse rellenando la cavidad del hidrófono con una espuma abierta impregnada de fluido, cuya naturaleza se determina de manera que amortigüe las vibraciones del elemento de fibra óptica 12 sin alterar sustancialmente el comportamiento de la cavidad con respecto a las variaciones de presión.
Las figuras 7 y 8 muestran esquemáticamente la estructura de una realización alternativa del dispositivo según la invención. En esta forma alternativa, el cuerpo cilíndrico 13 no tiene un orificio 16. Por el contrario, los orificios pasantes 71 se realizan en el espesor de los tapones 14 y 15.
En comparación con la realización general presentada anteriormente e ilustrada por las figuras 1 y 2, esta realización permite ventajosamente, por un lado, dejar el cuerpo cilíndrico 13 libre de cualquier perforación y, por otro lado, obtener orificios que tengan una longitud lorificio mayor que el espesor de la pared del cuerpo cilíndrico y, por tanto, diseñar hidrófonos que tengan una frecuencia de Helmholtz más baja que en la realización anterior (véase la relación [3]).
Cabe señalar que en la medida en que la presencia de uno o varios orificios pasantes 16 corresponde a una característica esencial de la invención, el dispositivo según la invención comprende dichos orificios cualquiera que sea el modo de realización previsto.
Sin embargo, en lugar de ser uno o más orificios en el cuerpo cilíndrico 13 o en los tapones 14 y 15, la función de los orificios pasantes 16 puede, en un ejemplo fuera del alcance de la invención, cuando el cuerpo rígido 13, o parte del cuerpo rígido está hecho de un material poroso, ser llenado por los poros del material.
Del mismo modo, en un ejemplo ajeno a la invención, donde los tapones están hechos, en parte o en su totalidad, de un material poroso, la función de los orificios pasantes 16 puede ser realizada por los poros del material.
Claims (13)
1. Hidrófono de cavidad láser del tipo que comprende un elemento activo de fibra óptica (12) con rejillas de Bragg inscritas en la fibra óptica que forma la cavidad láser, que comprende una estructura mecánica que define una cavidad (11) llena de un fluido, dentro de la cual el elemento de fibra óptica (12) está colocado a lo largo del eje longitudinal de la cavidad, comprendiendo además la estructura mecánica:
- un cuerpo rígido hueco (13) que define la cavidad (11) dentro de la cual se encuentra el elemento de fibra óptica (12), siendo el cuerpo rígido sustancialmente cilíndrico y/o con simetría de revolución respecto al eje longitudinal,
- dos tapones (14, 15) configurados y dispuestos para cerrar los extremos del cuerpo rígido (13), a través de los cuales pasa el elemento de fibra óptica (12), estando dicho elemento de fibra óptica (12) unido a los tapones (14, 15) en los puntos de paso para estar permanentemente en tensión, estando el hidrófono caracterizado porque:
los dos tapones (14, 15) tienen cada uno una parte rígidamente unida al cuerpo rígido (13) y una parte móvil que comprende una pared deformable (22) capaz de deformarse cuando se somete a variaciones de la presión ejercida por el medio externo en el que está sumergido el hidrófono, la deformación de los tapones provoca una variación de la longitud del elemento de fibra óptica (12); presentando cada uno de los dos tapones una forma de cuerpo hueco abierto por un extremo que se introduce en la cavidad (11) definida por el cuerpo rígido (13) para cerrar su extremo, presentando el cuerpo hueco una pared lateral (21) que define una cavidad interna (23) y la pared deformable, perpendicular al eje longitudinal de la cavidad (11) y que cierra el extremo de la cavidad interna (23), comprendiendo la pared lateral (21) un segmento C distante de la pared interna del cuerpo rígido (13) para deformarse libremente en la dirección longitudinal bajo el efecto de una variación de la temperatura del medio externo en el que está sumergido el hidrófono, provocando una variación de la longitud del elemento de fibra óptica (12) que compensa, al menos parcialmente, las variaciones de la frecuencia de emisión de la cavidad láser resultantes de estas variaciones de temperatura,
la estructura mecánica comprende además un orificio pasante (16) configurado para comunicar la cavidad (11) con el entorno exterior y proporcionar un equilibrio de la presión estática entre el entorno exterior y el fluido contenido en la cavidad (11).
2. Hidrófono óptico según la reivindicación anterior, en el que el cuerpo rígido es un cilindro de revolución, un hiperboloide o un elipsoide generalizado.
3. Hidrófono óptico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el hidrófono tiene un plano de simetría perpendicular al eje longitudinal.
4. Hidrófono óptico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el orificio pasante (16) es un orificio circular que atraviesa la pared del cuerpo rígido (13).
5. Hidrófono óptico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el orificio pasante (16) es un orificio circular realizado longitudinalmente en el espesor de la pared lateral (21) de un tapón (14, 15).
6. Hidrófono óptico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que el fluido contenido en la cavidad (11) es de baja o nula viscosidad y en el que las dimensiones, longitud Iorificio y sección transversal Sorificio, del orificio pasante (16) están determinadas, teniendo en cuenta la viscosidad del fluido contenido en la cavidad (11) del hidrófono, de manera que la cavidad (11) del hidrófono presenta, teniendo en cuenta su volumen Vcavidad una ley de variación de su sensibilidad, en función de la frecuencia de las variaciones de presión, que comprende una sensibilidad sustancialmente constante en una gama determinada (53) de frecuencias, inferior a la frecuencia F2, comprendida entre la frecuencia F2, correspondiente al pico de resonancia mecánica (52) de la cavidad (11), y un pico de resonancia (51) a una frecuencia F1 igual a la frecuencia de Helmholtz fH de la cavidad (11) definida por:
donde c es la velocidad de la onda acústica en el fluido considerado,
donde la frecuencia de Helmholtz fH es lo más baja posible.
7. Hidrófono óptico según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que el fluido contenido en la cavidad (11) es viscoso y en el que las dimensiones, longitud Iorificio y sección transversal Sorificio, del orificio pasante (16) están determinadas, teniendo en cuenta la viscosidad del fluido contenido en la cavidad (11) del hidrófono, de manera que la cavidad del hidrófono (11) presenta, teniendo en cuenta su volumen Vcavidad una ley de variación de su sensibilidad, en función de la frecuencia de las variaciones de presión, que comprende una sensibilidad sustancialmente constante en una gama determinada (53) de frecuencias, inferior a la frecuencia F2, comprendida entre la frecuencia F2, correspondiente al pico de resonancia mecánica (52) de la cavidad (11), y
un pico de resonancia (51) a una frecuencia F1 e igual a la frecuencia de corte fp de la cavidad (11) definida por la relación:
donde p es la densidad del fluido, c es la velocidad de las ondas sonoras en el fluido y Rorificio es el radio del orificio (16), n es la viscosidad del fluido, donde la frecuencia de corte fp es la más baja posible.
8. Hidrófono óptico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la pared lateral (21) comprende un primer segmento B en estrecho contacto con la pared interior del cuerpo rígido (13) para asegurar una conexión rígida entre el cuerpo rígido (13) y el tapón (14, 15).
9. Hidrófono óptico según la reivindicación anterior, en el que la cavidad interna (23) está limitada por el primer segmento B y el segmento C, teniendo el primer segmento B un diámetro externo mayor que el del segmento C.
10. Hidrófono óptico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la pared lateral (21) comprende además un segmento terminal A cuyo espesor define un hombro que hace tope con el extremo del cuerpo rígido (13) cuando el tapón (14, 15) está colocado en él.
11. Hidrófono óptico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la cavidad (11) contiene una espuma abierta, estando dicha espuma impregnada del fluido contenido en la cavidad (11), siendo el material que constituye la espuma el que amortigua los modos propios de resonancia del elemento de fibra óptica (12).
12. Hidrófono óptico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que la longitud x de la parte móvil a lo largo del eje longitudinal está definida por la siguiente relación:
donde Lfibra es la longitud de la fibra óptica entre los tapones, atubo y apistón son los coeficientes de expansión térmica de los materiales que constituyen el cuerpo rígido (13) y los tapones (14, 15) respectivamente, o al menos la sección libre C, n es el índice de la cavidad, dn/dT es la variación del índice de la cavidad por unidad de temperatura, siendo K igual a 0,78.
13. Hidrófono óptico según una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, en el que cada uno de los dos tapones define una cavidad sustancialmente cilíndrica, y en el que el cuerpo rígido es sustancialmente cilíndrico.
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