JP2008514902A - 光音圧センサ - Google Patents

Abstract

音響信号を検出するためのデバイス（１０）が記載される。該デバイスは、撓み部（１４）であって、前記撓み部に作用する機械的な力に従って変化する放射波長を有するレーザー活性領域（１３）を含む、前記撓み部、および、音響信号に従って撓むかまたは曲がるように動作可能な可撓性支持部材（２４）を含む。撓み部（１４）が支持部材（２４）に結合されることにより、支持部材（２４）に従って前記撓み部の撓みまたは曲げが引き起こされ、これにより撓み部（１４）のレーザー活性領域（１３）の放射波長が変化する。

Description

本発明は、音響信号を検出するためのセンサに関する。特定の形態において本発明は、ハイドロフォンとして水中環境での配備に好適な、受動型音響センサに関する。

音響センサは主として、圧電材料の変形による電圧変化を好適な電子部品を用いて測定する、電子圧電デバイスに基づく。しかしこれらのデバイスは基本的に局所的な形装化を要するため、水中アレイに配備されるハイドロフォンなどの遠隔計測用途には不利であり、また望ましいものよりも大きく複雑なセンサになっている。これはデータおよび電力のケーブル化とプリアンプの必要性のためであり、この性質のハイドロフォンアレイの配備および維持を困難にしている。圧電に基づくデバイスにおける他の幾つかの不利点は、電磁干渉に対するその妨害感受性を含み、このためその全体の感度が低下し、またその能動的な電子機器のために他者によって検知される可能性がある。

このために、光ファイバー技術に基づく音響センサの開発が多数試みられている（例えば、C K Kirkendall and A Dandridge, "Overviews of High Performance Fibre-Optic Sensing", J. Phys. D: Appl. Phys. 37, R197-R216, 2004を参照）。１つの試みにおいては、非常に狭いレーザー波長出力と、異なる波長で動作するように構成できるという性質を有し、そのため波長分割多重化に好適な、分布帰還型ファイバーレーザー（ＤＦＢＦＬ）が用いられている（例えば、D J Hill, P J Nash, D A Jackson, D J Webb, S F O'Neil, I Bennion and I Zhang, "A Fibre Laser Hydrophone Array", Proc. SPIE, 3860, 55-66, 1999参照）。

これらのセンサは、これらレーザーの重要な性質、すなわち放射されるレーザー光の周波数（または同義的に波長）が、ファイバー上に誘発されたひずみに対して感度を有することに基づいている。これは、ファイバーレーザーの共振キャビティサイズの変化および、付加的に、ひずみ下にある領域におけるファイバーの屈折率の変化から生じると理解される。しかしながらこれらのデバイスは、「ウェットな末端」において要求される電子機器の形装化が不要であること、さらに多数のセンサを１つのファイバーに多重化可能であることにより、電子機器に基づくデバイスと比べて多数の利点を提供する一方で、目的のハイドロフォン型の多数の用途に対して、感度が不十分であることが見出されている。また、これらは非音響的振動に対して本質的に感度が高く、そのために多くの用途について受け入れ難いほどノイズが多いことも見出されている。

分布帰還型ファイバーレーザーの感度を高めるための幾つかの試みには、ファイバーをエポキシまたはポリウレタンの円筒内に封入し、これによりファイバーレーザーのレーザー活性領域を囲むマンドレルを形成することが含まれる。分布帰還型ファイバーレーザーのキャビティおよび関連する領域を囲むファイバーの嵩の増加が、圧力に対するひずみ感度を幾分か改善するが、ハイドロフォンなどのように非常に高い感度が要求される用途には、まだ十分ではない。さらに、このような様式で改変された分布帰還型ファイバーレーザーには、圧力に対するひずみ感度を増加させるために用いる封入物質による質量増加のために、全体として低い共振周波数との欠点が存在する。

従来技術においては、感度を高めるために、ファイバーレーザーの２つの末端を機械構造に取り付け、ファイバーにギターの弦と同様の張力をかける試みがなされている。この構造は、圧力変化に応じて伸長または圧縮するよう構成され、それによってファイバーをひずませる。これらのデバイスは、圧力感度の増加の点のみに対処し、同様に重要な問題である本来的な振動ノイズ感度については解決せず、実際、幾つかの状況においては、これらはノイズ感度を高める方向に機能する。
本発明の目的は、ハイドロフォンとして配備するのに好適な、光ファイバーレーザー技術に基づく音響センサを提供することである。

発明の概要
第１の観点において、本発明はしたがって、音響信号の検出デバイスであって、前記デバイスが、
撓み部（flexible portion）であって、前記撓み部に作用する機械的な力に従って変化する放射波長を有するレーザー活性領域を含む、前記撓み部；および
可撓性支持部材（flexible support member）であって、前記支持部材が、前記音響信号に従って撓むかまたは曲がるように動作可能であり、前記撓み部を前記支持部材に結合することにより、前記撓み部が前記支持部材に従って撓むかまたは曲がり、これによって前記撓み部の前記レーザー活性領域の放射波長を変化させる、前記可撓性支持部材；
を含む、前記デバイスを提供する。

可撓性支持部材が直接撓み部の曲げを引き起こして、音響信号の効果を効率的に増幅するため、これは、より感度の高い音響センサをもたらす。
好ましくは、前記撓み部は、レーザー活性領域を含む伸張可撓性ファイバー（elongate flexible fibre）を含み、前記伸張可撓性ファイバーは前記支持部材に取り付けられ、これにより前記支持部材に従った前記伸張ファイバーの撓みまたは曲げが引き起こされる。

可撓性支持部材がその軸を中立の曲げ軸からオフセットしてファイバーの撓みを引き起こすと、これは、ファイバーに対する、支持部材の任意の曲げの効果を効率的に拡大する。さらに、ファイバーは本来撓みやすいため、このような様式でファイバーを曲げたり撓めても、ファイバーを過度に損傷させることはなく、しかもレーザー活性領域から放射される波長に測定可能な変化をもたらす。
好ましくは、伸張可撓性ファイバーを支持部材に取り付けることにより、前記伸張可撓性ファイバーを、支持部材の曲率半径と実質的に共通の曲率半径で撓めるかまたは曲げる。

これは、ファイバーが支持部材との関連で予測可能および定量可能な様式で曲がるために、採用するには便利な構成である。
好ましくは、前記伸張可撓性ファイバーを、レーザー活性領域を包含する予め定められた長さにわたって前記支持部材に取り付ける。
音響センサの必要条件によっては、ある長さのファイバーを直接支持部材に取り付けることが必要となる場合もある。

随意的に、前記伸張可撓性ファイバーを、該ファイバーに沿った少なくとも２つの分離した点において前記支持部材に取り付ける。
ファイバーを支持部材に沿って少なくとも２つの分離した点において取り付けることにより、ファイバーは、ファイバーをファイバーの長さに沿って取り付けることが要求されない状況において、撓められるかまたは曲げられる可能性がある。
好ましくは、前記支持部材は細長く、前記伸張ファイバーと実質的に揃っている。

第２の観点において、本発明はしたがって、音響信号の検出デバイスであって、前記デバイスが、
伸張可撓性ファイバーであって、前記ファイバーに作用する機械的な力に従って変化する放射波長を有するレーザー活性領域を含む、前記可撓性ファイバー；
可撓性支持部材であって、撓むか曲がるように動作可能であり、前記伸張可撓性ファイバーを前記支持部材に取り付けることにより、前記伸張ファイバーが前記支持部材と共鳴的に撓むかまたは曲がり、これによって前記ファイバーの前記レーザー活性領域の放射波長を変化させる、前記可撓性支持部材；および
力を付与して、前記可撓性部材を前記音響信号に従って曲げるかまたは撓める、力付与手段；
を含む、前記デバイスを提供する。

この観点において、力付与手段は、可撓性部材に音響信号に従った曲がりを引き起こす。力付与手段を可撓性部材から分離することにより、力付与手段は音圧のみに感度を有し、センサの感度に影響し得るバルク加速度などの他の物理的効果には感度を有さないように、設計することができる。
本発明の好ましい態様について、添付の図を参照して述べる。

以下の記述において、同じ参照番号は、図面中幾つかの図を通して同一または対応する部分を示す。

好ましい態様の記述
図１および図２を参照すると、それぞれ本発明の第１の態様による音響センサ１０の側面図および真横からの図が示されている。音響センサ１０は、中心活性キャビティまたはレーザー領域１３と、キャビティ１３の両側に位置する利得媒質中に位置するブラッグ格子要素１６、１８とを組み込んだ分布帰還型ファイバーレーザー１４を含む。ブラッグ格子要素１６、１８を組み込んだ効果により、中心活性キャビティまたはレーザー領域１３の構造によって規定される波長を有するレーザー光の放射が引き起こされる。この態様において、ファイバーのコアはエルビウムイオンで満たされており、これは活性利得媒質として作用し、ポンピングエネルギーは９８０ｎｍ（または１４８０ｎｍ）のポンピング放射により供給される。

ファイバーレーザー１４は、その長さに沿ってアルミニウム製の寸法５３ｍｍ（Ｌ）×１ｍｍ（Ｔ）×２ｍｍ（Ｗ）の伸張可撓性梁材に取り付けられている。梁材の正確な寸法および材料特性は、検出すべき音響波長範囲および達成すべき感度を含む、広い範囲の考慮事項に依存する。本態様においては角柱アルミニウム梁材を用いたが、当業者には、音響信号に応答して撓むかまたは曲がる一般の支持部材もまた、本発明に同様に適用可能であることが明らかである。したがって、支持部材が細長くてファイバーと揃うことについては、特定の条件はない。

図３および図４を参照すると、動作中の音響センサ１０が示されている。ファイバーレーザー１４は、可撓性梁材２４の片側にその長さに沿って接着剤または代替的にグリース等の好適な粘稠材料により取り付けられているため、音圧による梁材２４の任意の撓みまたは曲げが、梁材２４に従ったファイバーレーザー１４の撓みまたは曲げを引き起こす。図３には、ファイバーレーザー１４が梁材２４の凸側１５に取り付けられて曲がる様子が描かれている。ファイバーレーザー１４には、梁材２４の曲がりの曲率半径が減少するに従って、ひずみの増加が生じる。図４には、ファイバーレーザー１４が梁材２４の凹側１５に取り付けられて曲がる様子が描かれている。明らかに、梁材２４の曲がりの曲率半径が減少するに従って、ファイバーレーザー１４はさらに圧縮される。ファイバーレーザー１４が梁材に従って確実に曲がるようにするため、ファイバーレーザー１４は予張力状態で梁材２４に取り付けることもできる。

当業者に明らかであるように、動作中、音響センサ１０は、支持部材が音圧の影響下で撓むような方法で支持されるように構成される。１つの搭載構成の例は、５つの剛体面と、音圧に感度を有するダイアフラムを形成する６番目のフレキシブル面とを有する、立方体形状の支持体である。支持部材は次に、ダイアフラムの上に好適に搭載される。

この態様においてファイバーレーザー１４は可撓性梁材２４の平らな表面に取り付けられているが、明らかに本発明は、ファイバーレーザー１４が取り付けられるための曲面または不規則な支持表面を含むことができる支持部材にも、適用可能である。さらに、この第１の態様においてファイバーレーザー１４は梁材２４にその全長に沿って取り付けられているが、ファイバーレーザー１４は分離した取り付け点において取り付けることもでき、必要条件は、ファイバーレーザー１４が梁材２４に共鳴して曲がるかまたは撓むことのみである。

明らかに、分布帰還型ファイバーレーザーの使用は、その放射波長が物理的環境に感度を有するレーザー活性領域の便利な態様を提供する。しかし、レーザー活性領域を含む他の撓み部または部材もまた、本発明の範囲内であることが意図される。

１つの例は、支持部材の上にシリカなどの光学材料の層を直接蒸着することにより、予め定められた不均一な屈折率および／または他の光学特性を有して、ブラッグ格子を含む光導波路を形成することである。次にブラッグ格子に一致する光導波路の一部を、媒体に希土類イオンを添加することにより光学的に活性化させ、これによりレーザー活性領域を形成する。次に、フレキシブルなシリカ層の１端または両端における光ファイバー接続を介して、光線を光導波路内に組み入れるか、または光導波路から取り出すことができる。光ポンプのパワーがこの光末端接続を介して供給されると、分布帰還型レーザーが、撓んでいるかまたは曲がっている支持部材を有する光導波路のレーザー活性領域内に形成されて、関連するレーザー波長を本発明に従って変化させる。

当業者に明らかであるように、音響センサ１０は、その高められた圧力感度によりハイドロフォンとしての配備に特に好適である。音響センサ１０は、当分野に周知の、各々離散波長においてレーザー出力する複数のセンサを組み込んだ、波長分割多重システムに組み入れることができる。これらの波長の各々における変化は、関連するセンサにおいて音響信号の存在を示し、これにより従来技術より感度の増加したハイドロフォンアレイを提供する。

ハイドロフォンはしばしば移動または牽引アレイの構成で配備することが必要であり、その結果音響センサはノイズとして検出される種々のバルク加速度にさらされる。図５、図６および図７を参照すると、バルク加速度にさらされるシステムに組み込むのに好適な、本発明の第２の態様による音響センサ５０が示される。音響センサ５０には、可撓性支持部材２８の両側に配置された、１対の対向するダイアフラムまたはウェブ要素４４、４６が組み込まれる。

上部のダイアフラム４４は、支持部材２８の上面に隣接してファイバーレーザー１４のキャビティ領域の両側に配置された１対の内部支点またはピボット点３６、３８を含む。下部のダイアフラム４６は、支持部材２８の端に近い位置で支持部材２８の底面に隣接する、１対の外部支点またはピボット点３２、３０を含む。上部および下部のダイアフラム４４、４６は、それらの周縁において、上部および下部のフレキシブル膜４０、４１によりそれぞれ支持されている。膜はさらにそれぞれの外側端部においてフレーム４２に取り付けられている。この様式により、上部および下部のダイアフラム４４、４６は、音圧の作用の下で支持部材２８に向って内向きの変位を生じるが、これら両方ともバルク加速度の作用の元で共通して加速されることで、検知された音圧に対するこれら加速度の影響を実質的に減少させる。

図６に最もよく示されるように、音圧は上部および下部のダイアフラムを内向きに移動させ、これにより上部の支点３６、３８および下部の支点３２、３０も同時に移動させる。支持部材２８に沿った４つの支点の配置により、支持部材２８、従ってファイバーレーザー１４の撓みまたは曲げは、予め定められた様式で分散される。波長シフトの効果を、従ってセンサ５０の感度を最大化するために、支点またはピボット点３６、３８、３２、３０は、レーザー作用の光パワーが最も高い領域においてファイバーレーザー１４がもっともよく撓むかまたは曲がるように、そしてバルク加速度の効果を最小化するように、配置される。最大光パワーの領域は、一般にはファイバーレーザー１４の中心領域内に存在する、共振キャビティである。

図８を参照すると、バネ質量図１００が示されているが、これは梁材の曲げによってファイバーレーザーにひずみが誘導される低周波数におけるハイドロフォン設計をモデル化するのに好適である。このモデルにおいて、梁材の曲げは、外部圧力環境に接触している機械装置により梁材１５０にもたらされる力によって引き起こされる。梁材に力を適用するピストン１３０、１４０の各々は、有効バネ剛性ｋ_ｍの膜１１０、１２０により、外部ボディに取り付けられていると仮定する。各ピストン１３０、１４０はまた、外部圧力場に接触する表面積Ａ_ｐを有すると仮定する。機械的用途には、梁材１５０は剛性ｋ_ｂおよび質量ｍ_ｂの（曲げ）バネ（flexural spring）として振舞う。単位圧力当たり梁材１５０に適用される力を比較することにより、これが

に、単位加速度当たり梁材１５０に適用される力に比例すること、これがｍ_ｂに直接比例することにより、性能指数ＦＯＭの以下の数値が導かれる。

係数４は幾何学的利得係数であり、この場合は音響センサ５０の４点梁材機構に適用される。したがって、ＦＯＭは、圧力感度の加速度感度に対する比率の堅固な測度を提供し、高い数値が圧力感度の増加を示す。

したがって、音響センサ５０を構成する１つの実証的な方法は以下である。
上部および下部のダイアフラム４４、４６が実質的に等しい質量を有することを保証すること；
上部および下部のフレキシブル膜４０、４１が実質的に等しい弾性係数（バネ定数）を有することを保証すること；
梁材の弾性係数、膜の弾性係数、梁材の質量およびダイアフラムの面積を最適に構成して、ＦＯＭを「最大化する」ことを保証すること；
外部支点またはピボット点３２、３０の支持部材２８の端からの距離を、内部支点またはピボット点３６、３８の支持部材２８の中心からの距離と実質的に等しくすることを保証することにより、梁材にかかるせん断力およびモーメントを実質的にバランスさせること。

レーザーモード形状との関連で梁材の曲率を最適化するために、以下の一般の設計原理も適用してよい：
１．単一モード分布帰還型ファイバーレーザーにおける光パワーの分散が格子の中心付近で強くピークを示すため、またひずみに対するレーザー波長の感度が、以下の関係：

ここで｜Ｅ｜^２は光強度に比例する、に従って、光パワーの分散により重み付けされた、格子に沿った局所ひずみの積分に関係するため、レーザーは格子の中心のひずみに対する感度が最も高く、デバイス長の中心１０〜２０％から外側のひずみに対しては実質的に感度を示さない。

２．可撓性支持部材に搭載された分布帰還型ファイバーレーザーの場合、任意の点におけるファイバーのひずみは、支持部材の局所曲率に支持部材の中心軸からのファイバーの変位を乗じた値に比例する。

３．支持部材に１セットの点負荷群が適用される場合、本発明の第２の態様の場合のように、圧力または加速度の作用の下で支持部材の曲率はその軸にそって均一ではなく、励起点において最大値に近づく傾向がある。本出願人は、この構成において、支持部材の曲率は梁材の中心において最大となり、これはレーザーがひずみに対して最大感度を有する格子の中心に一致することを見出した。

４．レーザーの性能特性をモデル化することにより、支持部材の曲率は、レーザーの感度の高い領域にわたって均一で高くなるように設計することができ、これにより最適圧力感度をもたらす。逆に、本出願人はまた、純粋な加速度の下で、波長シフトまたはΔλは支持部材の中心領域で最小化されることを見出した。したがって、レーザーの光パワー分布についてダイアフラムまたはアクチュエータ配置の幾何学的形状を最適化することにより、加速度感度を次善最適構成と比較して少なくとも２０ｄＢ減少させることが可能である。

当業者に理解されるように、センサ５０は次に、光ファイバー技術に基づくシステムの利点を有するだけでなく、増加した感度をも有する、移動または牽引ハイドロフォンアレイに組み込むことができる。特に本発明は、より深い深度で起こる非音響的な背景の圧力変化の効果を実質的に取り除くために、適用することができる。

この第２の態様において、音響センサ５０は、２５００ｋＨｚの第１の音響共振より低い周波数において、１００μＰａの桁以上の音圧に感度を有することが見出される。これは、１０００μＰａを超える圧力にのみ感度を有する、支持なしファイバーレーザーと比較することができる。従って支持部材２４は、ファイバーレーザー１４によって測定されるように、音圧の効果を約２桁増幅できることが見出される。

本発明の好ましい態様が上の詳細な記述に示されているが、本発明は開示された態様に限定されるものではなく、また以下の特許請求の範囲に示され規定された本発明の範囲から逸脱することなく、多数の再配置、改変および置換が可能であることが、理解される。

本発明の第１の態様による音響センサの表象的側面図である。 図１に示された音響センサの真横からの図である。 図１に示された音響センサの側面図であり、支持部材がファイバーに対して凸状に曲がることによる、分布帰還型ファイバーレーザーの形状の変化を示す。 図１に示された音響センサの側面図であり、支持部材がファイバーに対して凹状に曲がることによる、分布帰還型ファイバーレーザーの形状の変化を示す。 本発明の第２の態様による音響センサの表象的側面図である。 図５に示された音響センサの表象的側面図であり、音圧の効果を示す。 図５に示された音響センサの斜視図である。 本発明の別の態様のモデル化に適合させることができる、音響センサのバネ質量モデルである。

Claims (11)

1. 音響信号の検出デバイスであって、前記デバイスが、
   撓み部であって、前記撓み部に作用する機械的な力に従って変化する放射波長を有するレーザー活性領域を含む、前記撓み部；および
   可撓性支持部材であって、前記支持部材が、前記音響信号に従って撓むかまたは曲がるように動作可能であり、前記撓み部を前記支持部材に結合することにより、前記撓み部が前記支持部材に従って撓むかまたは曲がり、これによって前記撓み部の前記レーザー活性領域の放射波長を変化させる、前記可撓性支持部材；
   を含む、前記デバイス。
2. 撓み部が、レーザー活性領域を含む伸張可撓性ファイバーを含み、前記伸張可撓性ファイバーを支持部材に取り付けることにより、前記伸張ファイバーが前記支持部材に従って撓むかまたは曲がる、請求項１に記載の音響信号の検出デバイス。
3. 伸張可撓性ファイバーを支持部材に取り付けることにより、前記伸張可撓性ファイバーが前記支持部材の曲率半径と実質的に共通の曲率半径で撓むかまたは曲がる、請求項２に記載の音響信号の検出デバイス。
4. 伸張可撓性ファイバーが、レーザー活性領域を包含する予め定められた長さにわたって支持部材に取り付けられている、請求項２または３に記載の音響信号の検出デバイス。
5. 伸張可撓性ファイバーが、該ファイバーに沿った少なくとも２つの分離した点において支持部材に取り付けられている、請求項２または３に記載の音響信号の検出デバイス。
6. 支持部材が細長く、伸張ファイバーと実質的に揃っている、請求項２〜５のいずれかに記載の音響信号の検出デバイス。
7. 伸張ファイバーが、予張力状態で支持部材に取り付けられている、請求項２〜６のいずれかに記載の音響信号の検出デバイス。
8. 音響信号の検出デバイスであって、前記デバイスが、
   伸張可撓性ファイバーであって、前記ファイバーに作用する機械的な力に従って変化する放射波長を有するレーザー活性領域を含む、前記可撓性ファイバー；
   可撓性支持部材であって、撓むかまたは曲がるように動作可能であり、前記伸張可撓性ファイバーを前記支持部材に取り付けることにより、前記伸張ファイバーが前記支持部材と共鳴的に撓むかまたは曲がり、これによって前記ファイバーの前記レーザー活性領域の放射波長を変化させる、前記可撓性支持部材；および
   力を付与して、前記可撓性部材を前記音響信号に従って曲げるかまたは撓める、力付与手段；
   を含む、前記デバイス。
9. 力付与手段が、可撓性支持部材の相対する側に搭載された第１および第２ダイアフラム要素を含み、ここで音響信号からの圧力で生じる前記第１および第２ダイアフラム要素の変位の際に力を付与することにより、前記可撓性部材を曲げるかまたは撓める、請求項８に記載の音響信号の検出デバイス。
10. 第１および第２ダイアフラム要素が、前記第１および第２ダイアフラム要素のそれぞれに配置された少なくとも１つの支点またはピボット点を含むことにより、前記第１および第２ダイアフラム要素の変位の際に可撓性部材を曲げる、請求項９に記載の音響信号の検出デバイス。
11. 第１ダイアフラム要素が離れて位置する支点またはピボット点の第１内部対を含み、この点の各々が、レーザー活性領域の両側において可撓性部材に力を付与するよう配置され、第２ダイアフラム要素が離れて位置する支点またはピボットの第２外部対を含み、この点の各々が、前記離れて位置する支点またはピボット点の第１内部対の周囲で前記可撓性部材の両側の周辺領域に力を付与するよう配置された、請求項１０に記載の音響信号の検出デバイス。

Images