JPH06339193A - Cylinder type optical fiber acoustic sensor and its manufacture - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、水中音波を検出する光
ファイバハイドロホンの音圧を光の位相変化に変換する
光ファイバ音響センサ及びその製造方法に関するもので
ある。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical fiber acoustic sensor for converting the sound pressure of an optical fiber hydrophone for detecting underwater sound waves into a phase change of light and a method for manufacturing the same.
【０００２】[0002]
【従来の技術】以下、従来例として２つの種類の光ファ
イバ音響センサについて説明する。 （Ａ）まず、従来、このような分野の第１先行技術とし
ては、例えば「Ｄ．Ａ．Ｂｒｏｗｎ，Ｔ．Ｈｏｆｌｅ
ｒ，Ｓ．Ｌ．Ｇａｒｒｅｔｔ “Ｈｉｇｈ−Ｓｅｎｓｉ
ｔｉｖｉｔｙ，Ｆｉｂｅｒ−Ｏｐｔｉｃ，Ｆｌｅｘｕｒ
ａｌ ＤｉｓｋＨｙｄｒｏｐｈｏｎｅ ｗｉｔｈ Ｒｅ
ｄｕｃｅｄ ＡｃｃｅｌｅｒａｔｉｏｎＲｅｓｐｏｎｓ
ｅ” Ｆｉｂｅｒ ａｎｄ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｏ
ｐｔｉｃｓ．Ｖｏｌ．８，ｐｐ．１６９−１９１，１９
８９」に開示されるようなものがあった。2. Description of the Related Art Two types of optical fiber acoustic sensors will be described below as conventional examples. (A) First, as the first prior art in such a field, for example, “DA Brown, T. Hofle has been proposed.
r, S. L. Garrett "High-Sensi
uniformity, Fiber-Optic, Flexur
al Disk Hydrophone with Re
reduced Acceleration Responses
e "Fiber and Integrated O
ptics. Vol. 8, pp. 169-191,19
89 ”.
【０００３】図４はかかる従来の振動板の屈曲を利用し
た高感度光ファイバハイドロホンの構成図である。図４
に示すように、このハイドロホンは円筒状の筐体１、こ
の筐体１の両端に設けられる振動板２、この振動板２上
にスパイラル状に接着された光ファイバ３からなる。FIG. 4 is a block diagram of a high-sensitivity optical fiber hydrophone using the bending of the conventional diaphragm. Figure 4
As shown in, the hydrophone comprises a cylindrical casing 1, diaphragms 2 provided at both ends of the casing 1, and an optical fiber 3 spirally bonded to the diaphragm 2.
【０００４】（Ｂ）次に、従来、このような分野の第２
先行技術としては、例えば、第１文献として「佐藤他、
円形振動板を用いた光ファイバ音響センサの圧力バラン
ス化、第１３回超音波エレクトロニクスの基礎と応用に
関するシンポジウム講演予稿集，Ｐ．２２９，１９９２
年１１月３０日，「振動板の屈曲を利用した高耐水圧で
は高感度な高ファイバハイドロホン」、また、第２文献
として、「Ａ．Ｄａｎｄｒｉｄｇｅ，Ａ．Ｂ．Ｔｖｅｔ
ｅｎ，Ｔ．Ｇ．Ｇｉａｌｌｏｅｎｚｉ“Ｈｏｍｏｄｙｎ
ｅ Ｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｓｃｈｅｍｅ ｆｏｒ
ＦｉｂｅｒＯｐｔｉｃ Ｓｅｎｓｅｒ Ｕｓｉｎｇ
Ｐｈａｓｅ Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ Ｃａｒｒｉｅｒ”Ｊ
ｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏ
ｎｉｃｓ．Ｖｏｌ．ＱＥ−１８．Ｎｏ１０，１９８２」
に開示されるようなものがあった。(B) Next, in the second field of the field as described above,
As the prior art, for example, "Sato et al.
Pressure balancing of an optical fiber acoustic sensor using a circular diaphragm, Proc. Of the 13th Symposium on Fundamentals and Applications of Ultrasonic Electronics, p. 229,1992
November 30, 2014, "High-fibre hydrophone with high sensitivity to high water pressure using bending of diaphragm", and second document, "A. Dandridge, A. B. Tvet.
en, T .; G. Gialloenzi "Homodyn
e Demodulation Scheme for
FiberOptic Sensing Using
Phase Generated Carrier "J
individual of Quantum Electro
nics. Vol. QE-18. No 10, 1982 "
There was something like that disclosed in.
【０００５】図５に示すように、筐体１にオリフィス４
を設け、筐体１内部を液体で満たした構造になっている
ため、筐体１の内側と外側で静的には圧力バランスが保
たれるので耐水圧が高い。加速度により振動板２が振動
した場合には、振動板２の表裏で歪みの符号が逆になる
ことを利用して、加速度感度を低減する構造になってい
る。As shown in FIG. 5, an orifice 4 is provided in a housing 1.
Is provided and the inside of the housing 1 is filled with the liquid, so that a static pressure balance is maintained between the inside and the outside of the housing 1, so that the water pressure resistance is high. When the diaphragm 2 vibrates due to acceleration, the acceleration sensitivity is reduced by utilizing the fact that the signs of distortion are reversed on the front and back of the diaphragm 2.
【０００６】また、レーザ光の位相変化を検出する干渉
法の１つにパッシブホモダイン方式（上記第２文献参
照）がある。この方式では、干渉光の位相を正弦波状に
変調することにより、Ｏ／Ｅ変換器の出力をＯとする
と、 Ｏ＝Ａ＋Ｂ cos〔Ｃ cos ωC ｔ＋Φ（ｔ）〕 …（１） となる。ここでＡ，Ｂ，Ｃは定数、ωC は変調角周波
数、ｔは時間、Φ（ｔ）は音響信号を含む干渉光の位相
変化である。A passive homodyne method (see the above-mentioned second document) is one of the interferometry methods for detecting the phase change of laser light. In this method, the phase of the interference light is modulated into a sine wave, and when the output of the O / E converter is O, O = A + B cos [C cos ω C t + Φ (t)] (1). Here, A, B, and C are constants, ω C is a modulation angular frequency, t is time, and Φ (t) is a phase change of interference light including an acoustic signal.
【０００７】そこで、上記（１）式を展開すると、 Ｏ＝Ａ＋Ｂ｛〔ＪO （Ｃ）＋２Σ（−１）K Ｊ2K（Ｃ）cos ２ｋωC t 〕 cosΦ（ｔ）−２Σ（−１）K Ｊ2K-1（Ｃ）cos （２ｋ＋１）ωC （ｔ）｝ sinΦ（ｔ） …（２） となる。Therefore, when the above formula (1) is expanded, O = A + B {[J O (C) + 2Σ (-1) K J 2K (C) cos 2kω C t] cosΦ (t) -2Σ (-1) K J 2K-1 (C) cos (2k + 1) ω C (t)} sinΦ (t) (2)
【０００８】上記（２）のスペクトラムを図６に示す。
図６において、横軸は角周波数ωC 、縦軸はスペクトラ
ムを示し、ａは１次波の上側波帯、ｂは２次波の下側波
帯を示している。上記（２）式から１次波と２次波の振
幅を取り出し、 −ＢＪ1 （Ｃ）sin Φ（ｔ） …（３ａ） −ＢＪ2 （Ｃ）cos Φ（ｔ） …（３ｂ） これらを微分すると、 −ｄΦ（ｔ）／ｄｔ ＢＪ1 （Ｃ）cos Φ（ｔ） …（４ａ） ｄΦ（ｔ）／ｄｔ ＢＪ2 （Ｃ）sin Φ（ｔ） …（４ｂ） 上記（３ａ）と（４ｂ）、（４ａ）と（３ｂ）を掛算
し、 −ｄΦ（ｔ）／ｄｔ Ｂ2 Ｊ1 （Ｃ）Ｊ2 （Ｃ）sin2Φ（ｔ） …（５ａ） ｄΦ（ｔ）／ｄｔ Ｂ2 Ｊ1 （Ｃ）Ｊ2 （Ｃ）cos2Φ（ｔ） …（５ｂ） これらを引算すると、 ｄΦ（ｔ）／ｄｔ Ｂ2 Ｊ1 （Ｃ）Ｊ2 （Ｃ） …（６） となる。The spectrum of (2) above is shown in FIG.
In FIG. 6, the horizontal axis represents the angular frequency ω C , the vertical axis represents the spectrum, a indicates the upper sideband of the primary wave, and b indicates the lower sideband of the secondary wave. (2) Take out the amplitude of the primary wave and the secondary wave from the equation a -BJ 1 (C) sin Φ ( t) ... (3a) -BJ 2 (C) cos Φ (t) ... (3b) thereof Differentiating, −dΦ (t) / dt BJ 1 (C) cos Φ (t) (4a) dΦ (t) / dt BJ 2 (C) sin Φ (t) (4b) The above (3a) and ( 4b), (4a) and (3b) are multiplied, and -dΦ (t) / dt B 2 J 1 (C) J 2 (C) sin 2 Φ (t) (5a) dΦ (t) / dt B 2 J 1 (C) J 2 (C) cos 2 Φ (t) (5b) Subtracting these yields dΦ (t) / dt B 2 J 1 (C) J 2 (C) (6) Become.
【０００９】これを積分すると音響信号を含む干渉光の
位相変化Φ（ｔ）を検出できる。By integrating this, the phase change Φ (t) of the interference light containing the acoustic signal can be detected.
【００１０】[0010]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、以上述
べたように、 （１）振動板の屈曲を利用した光ファイバハイドロホン
では、振動板に接着する光ファイバを長くして感度をよ
り向上させると、振動板の径が大きくなり、センサが大
型になる。However, as described above, (1) In the optical fiber hydrophone utilizing the bending of the diaphragm, if the optical fiber bonded to the diaphragm is lengthened to further improve the sensitivity. The diameter of the diaphragm becomes large and the sensor becomes large.
【００１１】（２）パッシブホモダイン方式において、
図６に示すように、１次波の上側波帯に２次波の下側波
帯の高周波成分が重なり、信号に歪みが発生する。パッ
シブホモダイン以外の干渉方式でも、時分割多重を行う
場合、サンプリングによる周波数折り返しが発生し、信
号が歪む。本発明は、以上述べた問題を除去するため、
加速度感度を低減する構造の高感度、高耐水圧光ファイ
バ音響センサを小型で実現するとともに、周波数折り返
しによる信号歪みを軽減し得る円筒型光ファイバ音響セ
ンサを提供することを目的とする。(2) In the passive homodyne system,
As shown in FIG. 6, the upper sideband of the primary wave is overlapped with the high frequency component of the lower sideband of the secondary wave, and distortion occurs in the signal. Even when an interference method other than passive homodyne is used, when time division multiplexing is performed, frequency aliasing due to sampling occurs and the signal is distorted. The present invention eliminates the above-mentioned problems.
An object of the present invention is to provide a high-sensitivity, high-water pressure resistant optical fiber acoustic sensor with a structure that reduces acceleration sensitivity in a small size, and to provide a cylindrical optical fiber acoustic sensor that can reduce signal distortion due to frequency folding.
【００１２】[0012]
【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するために、 （Ａ）光ファイバハイドロホンの音圧を光の位相変化に
変換する円筒型光ファイバ音響センサにおいて、円筒の
内側と外側にそれぞれ１本ずつ光ファイバが巻かれた光
ファイバコイルを形成し、前記円筒の両端に柔らかい材
料を挟んで蓋を付け、前記円筒の呼吸振動を検出するよ
うにしたものである。In order to achieve the above object, the present invention provides (A) a cylindrical optical fiber acoustic sensor for converting the sound pressure of an optical fiber hydrophone into a phase change of light. An optical fiber coil is formed by winding one optical fiber on each of the outer side and the outer side, and a cap is attached to both ends of the cylinder with a soft material sandwiched between them to detect respiratory vibration of the cylinder.
【００１３】また、光ファイバハイドロホンの音圧を光
の位相変化に変換する円筒型光ファイバ音響センサの製
造方法において、円筒の外側に接着剤が付着した光ファ
イバを巻き取って光ファイバコイルを形成し、接着剤が
接着しないようにした円柱に巻き取った接着剤が付着し
た光ファイバコイルを前記円筒の内側に接着して光ファ
イバコイルを形成するようにしたものである。Further, in a method of manufacturing a cylindrical optical fiber acoustic sensor for converting the sound pressure of an optical fiber hydrophone into a phase change of light, an optical fiber having an adhesive adhered to the outside of the cylinder is wound to form an optical fiber coil. An optical fiber coil is formed by adhering the optical fiber coil to which the adhesive is adhered, which is wound on a cylinder in which the adhesive is not adhered, to the inside of the cylinder to form the optical fiber coil.
【００１４】（Ｂ）光ファイバハイドロホンの音圧を光
の位相変化に変換する圧力バランス構造の光ファイバ音
響センサにおいて、円筒の内側と外側にそれぞれ１本ず
つ光ファイバを巻き、前記円筒の両端にオリフィスを形
成し、前記円筒の呼吸振動を検出するようにしたもので
ある。更に、光ファイバハイドロホンの音圧を光の位相
変化に変換する圧力バランス構造の光ファイバ音響セン
サにおいて、円筒の内側と外側にヘルツホルム共振器を
構成し、前記円筒が振動する周波数を帯域制限するよう
にしたものである。(B) In an optical fiber acoustic sensor having a pressure balance structure for converting the sound pressure of an optical fiber hydrophone into a phase change of light, one optical fiber is wound inside and one outside the cylinder, and both ends of the cylinder are wound. An orifice is formed in the cylinder to detect the respiratory vibration of the cylinder. Furthermore, in an optical fiber acoustic sensor having a pressure balance structure that converts the sound pressure of an optical fiber hydrophone into a phase change of light, a Hertzholm resonator is formed inside and outside a cylinder to limit the frequency at which the cylinder vibrates. It was done like this.
【００１５】[0015]
【作用】本発明によれば、上記（Ａ）のように、光ファ
イバハイドロホンの音圧を光の位相変化に変換する円筒
型光ファイバ音響センサにおいて、円筒の内側と外側に
それぞれ１本ずつ光ファイバが巻かれた光ファイバコイ
ルを形成し、前記円筒の両端に柔らかい材料を挟んで蓋
を付け、前記円筒の呼吸振動を検出するようにしたの
で、 （１）光ファイバを円筒の内側と外側に巻き付けた構造
であるため、感度を向上させることができる。According to the present invention, as described in (A) above, in the cylindrical optical fiber acoustic sensor for converting the sound pressure of the optical fiber hydrophone into the phase change of light, one is provided inside the cylinder and the other is outside the cylinder. Since an optical fiber coil in which an optical fiber is wound is formed, a soft material is sandwiched between the both ends of the cylinder to attach a lid, and respiratory vibration of the cylinder is detected, (1) the optical fiber is placed inside the cylinder. Since the structure is wound on the outside, the sensitivity can be improved.
【００１６】また、光ファイバの長さを長くしたい場合
は、重ねて巻くことも可能であり、センサが大型になる
ことはなく、小型で感度の高い光ファイバ音響センサを
得ることができる。 （２）この光ファイバ音響センサは、音圧によってのみ
発生する呼吸振動だけを検出するので、加速度感度を抑
制することができる。If it is desired to increase the length of the optical fiber, the optical fibers can be wound in a stack and the size of the sensor does not increase, and a small-sized and highly sensitive optical fiber acoustic sensor can be obtained. (2) Since this optical fiber acoustic sensor detects only respiratory vibration generated only by sound pressure, acceleration sensitivity can be suppressed.
【００１７】（３）接着剤が接着しないようにした円柱
に巻き取った光ファイバを、円筒の内側に接着するよう
にしたので、製造が簡単である。また、上記（Ｂ）のよ
うに、つまり、光ファイバハイドロホンの音圧を光の位
相変化に変換する光ファイバ音響センサにおいて、蓋付
円筒の内側と外側に光ファイバを各１本巻き、蓋にオリ
フィスを設けて円筒内部に液体を満たすことによりヘル
ムホルツ共振器を構成したもので、静水圧に対しては圧
力バランスが保たれ、ヘルムホルツ共振周波数以上の音
圧を受けて円筒が呼吸振動した時に２本の光ファイバの
長さの差が変化するように構成したので、上記の効果に
加えて、 （１）センサ内全てが、静的には圧力バランスが保たれ
ているので耐水圧が高い。(3) Since the optical fiber wound in a cylinder in which the adhesive does not adhere is adhered to the inside of the cylinder, the manufacturing is simple. In addition, as in the above (B), that is, in the optical fiber acoustic sensor that converts the sound pressure of the optical fiber hydrophone into a phase change of light, one optical fiber is wound inside and one outside the cylinder with the lid, and the lid is covered. The Helmholtz resonator is constructed by filling the inside of the cylinder with an orifice to maintain the pressure balance against the hydrostatic pressure, and when the cylinder receives a sound pressure higher than the Helmholtz resonance frequency and the cylinder vibrates and breathes. Since the difference in length between the two optical fibers is configured to change, in addition to the above effects, (1) All of the inside of the sensor are statically pressure balanced, so that the water pressure resistance is high. .
【００１８】（２）更に、円筒の外側にヘルムホルツ共
振器を施した構造にすると、外側のヘルムホルツ共振器
の共振周波数ｆOA以上の周波数帯は検出されないので、
周波数折り返しによる信号歪みを軽減することができ
る。つまり、周波数折り返しにより信号歪みが発生する
問題に対しては、円筒の外側にもヘルムホルツ共振器を
施し、外側のヘルムホルツ共振器の共振周波数以上では
円筒の内側と外側で圧力バランスが保たれるように構成
する。これにより音響信号の高周波成分はハイドロホン
の音響センサ部で遮断される。(2) Further, in the structure in which the Helmholtz resonator is provided on the outer side of the cylinder, a frequency band equal to or higher than the resonance frequency f OA of the outer Helmholtz resonator is not detected.
Signal distortion due to frequency aliasing can be reduced. In other words, to solve the problem of signal distortion due to frequency folding, a Helmholtz resonator is also provided outside the cylinder so that pressure balance is maintained inside and outside the cylinder above the resonance frequency of the outer Helmholtz resonator. To configure. As a result, the high frequency component of the acoustic signal is blocked by the acoustic sensor unit of the hydrophone.
【００１９】[0019]
【実施例】以下、本発明の実施例について図を参照しな
がら詳細に説明する。図１は本発明の第１実施例を示す
円筒型光ファイバ音響センサの構造を示す図である。図
１に示すように、円筒型光ファイバ音響センサ１０の円
筒１１の外側に光ファイバコイル１２、円筒１１の内側
に光ファイバコイル１３を巻く。光ファイバコイル１２
と光ファイバコイル１３の長さは同程度にしておく。円
筒１１の両端にはゴムなどの柔らかいリング状の板１
４，１６を挟んで蓋１５，１７を付け、円筒１１の内部
を空気室にする。Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing the structure of a cylindrical optical fiber acoustic sensor showing a first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the optical fiber coil 12 is wound on the outside of the cylinder 11 and the optical fiber coil 13 is wound on the inside of the cylinder 11 of the cylindrical optical fiber acoustic sensor 10. Optical fiber coil 12
The optical fiber coil 13 and the optical fiber coil 13 have the same length. A soft ring-shaped plate 1 made of rubber or the like is provided at both ends of the cylinder 11.
The lids 15 and 17 are attached with 4 and 16 sandwiched therebetween, and the inside of the cylinder 11 is made into an air chamber.
【００２０】このようにして得られた円筒の振動モデル
を図２に示す。ここで、円筒１１の半径をｒ0 、厚さを
２ｈとする。円筒１１の外側と内側に長さＬ0 の光ファ
イバを巻くと、外側と内側の光ファイバコイル１２，１
３の巻き数Ｎ1 、Ｎ2 はそれぞれ、 Ｎ1 ＝Ｌ0 ／〔２π（ｒ0 ＋ｈ）〕 …（７） Ｎ2 ＝Ｌ0 ／〔２π（ｒ0 −ｈ）〕 …（８） となる。FIG. 2 shows a vibration model of the cylinder thus obtained. Here, the radius of the cylinder 11 r 0, and the thickness 2h. When an optical fiber of length L 0 is wound on the outside and inside of the cylinder 11, the outside and inside optical fiber coils 12, 1
The numbers of turns N 1 and N 2 of 3 are N 1 = L 0 / [2π (r 0 + h)] (7) N 2 = L 0 / [2π (r 0 -h)] (8) Become.
【００２１】円筒１１が音圧を受けて呼吸振動（１次モ
ード）すると、円筒１１の半径ｒ0が変化する。この変
化量の軸方向平均をΔｒとすると、円筒１１が呼吸振動
している時の、外側の光ファイバコイル１２の光ファイ
バ長Ｌ1 と、内側の光ファイバコイル１３の光ファイバ
長Ｌ2 は、 Ｌ1 ＝２π（ｒ0 ＋ｈ−Δｒ）Ｎ1 …（９） Ｌ2 ＝２π（ｒ0 −ｈ−Δｒ）Ｎ2 …（１０） と表される。When the cylinder 11 receives sound pressure and breathing vibrations (first mode), the radius r 0 of the cylinder 11 changes. When the average axial this variation and [Delta] r, when the cylinder 11 is breathing vibration, the optical fiber length L 1 of the outer optical fiber coil 12, the optical fiber length L 2 of the inner optical fiber coil 13 , L 1 = 2π (r 0 + h-Δr) N 1 (9) L 2 = 2π (r 0 -h-Δr) N 2 (10)
【００２２】上記（７）〜（１０）式から、２本の光フ
ァイバの長さの差Ｌ1 −Ｌ2 は、Ｌ1 −Ｌ2 ＝２ｈＬ0
Δｒ／（ｒ0 2 −ｈ2 ）となり、Δｒに比例する。以上
が光ファイバ音響センサの動作原理である。光ファイバ
ハイドロホン全体としては、２本の光ファイバコイル１
２，１３にレーザ光を通し、Ｌ1 −Ｌ2 により発生する
レーザ光の位相差を干渉法を利用して検出するものであ
る。From the above equations (7) to (10), the difference in length L 1 -L 2 between the two optical fibers is L 1 -L 2 = 2hL 0
Δr / (r 0 2 −h 2 ), which is proportional to Δr. The above is the operation principle of the optical fiber acoustic sensor. Two optical fiber coils 1 for the entire optical fiber hydrophone
The laser light is passed through 2 and 13 and the phase difference of the laser light generated by L 1 -L 2 is detected by using the interferometry.
【００２３】図３は本発明の第１実施例を示す円筒型光
ファイバ音響センサの製造方法を示す斜視図である。図
３（ａ）に示すように、棒２２を組み合わせて作った分
解可能な円柱２１に、接着剤を付けた光ファイバを巻
き、光ファイバコイル１３を形成する。一方、円筒１１
に接着剤を付けた光ファイバを巻き、光ファイバコイル
１２を形成する。その円筒１１の中に円柱２１を挿入す
る。FIG. 3 is a perspective view showing a method of manufacturing a cylindrical optical fiber acoustic sensor according to the first embodiment of the present invention. As shown in FIG. 3A, an optical fiber with an adhesive is wound around a decomposable cylinder 21 formed by combining rods 22 to form an optical fiber coil 13. On the other hand, the cylinder 11
An optical fiber having an adhesive is wound on the optical fiber coil 12 to form the optical fiber coil 12. A cylinder 21 is inserted into the cylinder 11.
【００２４】次に、図３（ｂ）に示すように、接着剤が
硬化したら円柱２１を分解して抜き取り、円筒１１の内
側に光ファイバコイル１３を、円筒１１の外側に光ファ
イバコイル１２が固着された円筒体１０を得る。次い
で、図３（ｃ）に示すように、その円筒体１０の下端に
柔らかいリング板１４を介して蓋１５を接着し、同様
に、円筒体１０の上端に柔らかいリング板１６を介して
蓋１７を接着して、円筒１１の内部を空気室にする。Next, as shown in FIG. 3B, when the adhesive hardens, the cylinder 21 is disassembled and extracted, and the optical fiber coil 13 is inside the cylinder 11 and the optical fiber coil 12 is outside the cylinder 11. The fixed cylindrical body 10 is obtained. Next, as shown in FIG. 3C, a lid 15 is attached to the lower end of the cylindrical body 10 via a soft ring plate 14, and similarly, a lid 17 is attached to the upper end of the cylindrical body 10 via a soft ring plate 16. Are bonded to make the inside of the cylinder 11 an air chamber.
【００２５】図７は本発明の第２実施例を示す高域制限
機能付円筒型光ファイバ音響センサの構造を示す断面図
である。円筒３１の外側に光ファイバコイル３２、円筒
３１の内側に光ファイバコイル３３を巻く。光ファイバ
コイル３２と光ファイバコイル３３の長さは同程度にし
ておく。円筒３１の端にはオリフィス３５を設けた蓋３
４を付け、円筒３１の内部を液体で満たす。FIG. 7 is a sectional view showing the structure of a cylindrical optical fiber acoustic sensor with a high frequency limiting function according to the second embodiment of the present invention. An optical fiber coil 32 is wound on the outside of the cylinder 31, and an optical fiber coil 33 is wound on the inside of the cylinder 31. The optical fiber coil 32 and the optical fiber coil 33 have the same length. A lid 3 having an orifice 35 at the end of the cylinder 31
4, the inside of the cylinder 31 is filled with the liquid.
【００２６】円筒の振動モデルを図８に示す。円筒３１
の半径をｒ0 、厚さを２ｈとする。円筒３１の外側と内
側に長さＬ0の光ファイバを巻くと、外側と内側の光フ
ァイバコイル３２，３３の巻き数Ｎ1、Ｎ2 はそれぞ
れ、上記した式（７）及び式（８）となる。円筒３１が
音圧を受けて呼吸振動（１次モード）すると、円筒３１
の半径ｒ0が変化する。この変化量の軸方向平均をΔｒ
とすると、円筒３１が呼吸振動している時の、外側の光
ファイバコイル３２の光ファイバ長Ｌ1 と内側の光ファ
イバコイル３３の光ファイバ長Ｌ2 は、上記した式
（９）及び（１０）と表される。A vibration model of a cylinder is shown in FIG. Cylinder 31
The radius is r 0 and the thickness is 2h. When an optical fiber having a length L 0 is wound on the outer side and the inner side of the cylinder 31, the numbers of turns N 1 and N 2 of the outer and inner optical fiber coils 32 and 33 are expressed by the equations (7) and (8), respectively. Becomes When the cylinder 31 receives sound pressure and breathing vibrations (first mode), the cylinder 31
The radius r 0 of changes. Axial average of this variation is Δr
When, when the cylinder 31 is breathing vibration, the optical fiber length L 2 of the optical fiber length L 1 and the inner optical fiber coil 33 outside the optical fiber coil 32, the above-mentioned formula (9) and (10 ).
【００２７】上記（７）〜（１０）式から、２本の光フ
ァイバの長さの差Ｌ1 −Ｌ2 は、Ｌ1 −Ｌ2 ＝２ｈＬ0
Δｒ／（ｒ0 2 −ｈ2 ）となり、Δｒに比例する。２
本の光ファイバコイル３２，３３にレーザ光を通し、Ｌ
1 −Ｌ2 により発生するレーザ光の位相差を干渉法を利
用して検出することができる。蓋３４に付けたオリフィ
ス３５と円筒３１内部の液体でヘルムホルツ共振器が構
成されており、静水圧に対しては円筒３１の内側と外側
で圧力バランスが保たれているので、高い耐水圧が得ら
れ、ヘルムホルツ共振周波数以上の音圧を受けると円筒
３１が呼吸振動する。From the above equations (7) to (10), the difference in length L 1 -L 2 between the two optical fibers is L 1 -L 2 = 2hL 0
Δr / (r 0 2 −h 2 ), which is proportional to Δr. Two
The laser light is passed through the optical fiber coils 32 and 33 of the book, and L
The phase difference of the laser light generated by 1- L 2 can be detected by using the interferometry. The Helmholtz resonator is composed of the orifice 35 attached to the lid 34 and the liquid inside the cylinder 31. Since the pressure balance between the inside and outside of the cylinder 31 is maintained against the hydrostatic pressure, a high water pressure resistance can be obtained. When the sound pressure higher than the Helmholtz resonance frequency is received, the cylinder 31 breathes and vibrates.
【００２８】したがって、ヘルムホルツ共振周波数付近
を遮断周波数とするＨＰＦ（ハイパスフィルタ）が構成
されている。このように、光ファイバハイドロホンの音
圧を光の位相変化に変換する光ファイバ音響センサにお
いて、蓋付円筒の内側と外側に光ファイバコイルを各１
本巻き、蓋にオリフィスを設けて円筒内部に液体を満た
すことによりヘルムホルツ共振器を構成したので、静水
圧に対しては圧力バランスが保たれ、ヘルムホルツ共振
周波数以上の音圧を受けて円筒が呼吸振動した時に、２
本の光ファイバの長さの差が変化し、水中音波を検出す
ることができる。Therefore, an HPF (high-pass filter) having a cutoff frequency near the Helmholtz resonance frequency is constructed. As described above, in the optical fiber acoustic sensor that converts the sound pressure of the optical fiber hydrophone into a phase change of light, one optical fiber coil is provided inside and one outside the cylinder with the lid.
Since the Helmholtz resonator is constructed by filling the cylinder with an orifice and filling the inside of the cylinder with a liquid, the pressure balance is maintained against hydrostatic pressure, and the cylinder breathes when receiving sound pressure above the Helmholtz resonance frequency. 2 when vibrating
The difference in length of the optical fibers of the book changes, and the underwater sound wave can be detected.
【００２９】図９は本発明の第３実施例を示す帯域制限
機能付円筒型光ファイバ音響センサの構造を示す断面図
である。この実施例では、前記第２実施例に示される円
筒型光ファイバ音響センサをオリフィス４７を設けた筐
体４６に収め、筐体４６内に液体を満たした構造になっ
ている。FIG. 9 is a sectional view showing the structure of a cylindrical optical fiber acoustic sensor with a band limiting function according to the third embodiment of the present invention. In this embodiment, the cylindrical optical fiber acoustic sensor shown in the second embodiment is housed in a housing 46 having an orifice 47, and the housing 46 is filled with a liquid.
【００３０】筐体４６と円筒４１の間のキャビティと、
筐体４６に設けたオリフィス４７でのヘルムホルツ共振
周波数ｆOA、円筒４１内のキャビティと円筒４１の蓋４
４に設けたオリフィス４５でのヘルムホルツ共振周波数
ｆ0Bをｆ0B＜ｆOAとする。音波の周波数をｆとして、ｆ
＞ｆOAの音波は円筒４１の蓋４４のオリフィス４５、筐
体４６のオリフィス４７の両方を通過しないので、円筒
４１は振動しない。A cavity between the housing 46 and the cylinder 41,
Helmholtz resonance frequency f OA at the orifice 47 provided in the housing 46, the cavity inside the cylinder 41 and the lid 4 of the cylinder 41
The Helmholtz resonance frequency f 0B at the orifice 45 provided in 4 is set to f 0B <f OA . Let f be the frequency of the sound wave and f
Since the sound wave of> f OA does not pass through both the orifice 45 of the lid 44 of the cylinder 41 and the orifice 47 of the housing 46, the cylinder 41 does not vibrate.
【００３１】ｆ0B＜ｆ＜ｆOAの音波は円筒４１の蓋４４
のオリフィス４５を通過しないが、筐体４６のオリフィ
ス４７を通過するので、円筒４１が振動する。ｆ＜ｆ0B
の音波は円筒４１の蓋４４のオリフィス４５、筐体４６
のオリフィス４７の両方を通過するので、圧力バランス
が保たれ、円筒４１は振動しない。したがって、ＢＰＦ
（バンドパスフィルタ）が構成されている。ｆ0B＞ｆOA
としても同様の効果が得られる。The sound wave of f 0B <f <f OA is a cover 44 of the cylinder 41.
However, the cylinder 41 vibrates because it passes through the orifice 47 of the housing 46. f <f 0B
Sound waves are generated by the orifice 45 of the lid 44 of the cylinder 41 and the housing 46.
Since it passes through both orifices 47, the pressure balance is maintained and the cylinder 41 does not vibrate. Therefore, BPF
(Bandpass filter). f 0B > f OA
Also, the same effect can be obtained.
【００３２】このように、円筒の内側と外側にヘルツホ
ルム共振器を構成し、円筒が振動する周波数を帯域制限
するように構成することができる。ここで、周波数折り
返しにより信号歪みが発生する問題に対しては、円筒の
外側にもヘルムホルツ共振器を施し、外側のヘルムホル
ツ共振器の共振周波数以上では円筒の内側と外側で圧力
バランスが保たれるようにする。これにより、音響信号
の高周波成分はハイドロホンの音響センサ部で遮断され
る。As described above, the Hertzholm resonators can be formed inside and outside the cylinder to limit the frequency at which the cylinder vibrates. Here, with respect to the problem that signal distortion occurs due to frequency folding, a Helmholtz resonator is also provided on the outside of the cylinder, and pressure balance is maintained inside and outside the cylinder above the resonance frequency of the outside Helmholtz resonator. To do so. As a result, the high frequency component of the acoustic signal is blocked by the acoustic sensor unit of the hydrophone.
【００３３】なお、上記実施例においては、円筒の内側
と外側に各々１層の光ファイバコイルが形成れている
が、光ファイバの長さを長くする必要がある場合は、重
ねて巻くことも可能であり、そのように構成することに
より、センサが大型になることはなく、小型で感度の高
い光ファイバ音響センサを得ることができる。なお、本
発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の
趣旨に基づき種々の変形が可能であり、それらを本発明
の範囲から排除するものではない。In the above embodiment, one layer of optical fiber coil is formed on the inside and the outside of the cylinder, respectively. However, if it is necessary to increase the length of the optical fiber, they may be wound in layers. This is possible, and with such a configuration, the sensor does not become large, and it is possible to obtain a compact and highly sensitive optical fiber acoustic sensor. It should be noted that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made based on the spirit of the present invention, and they are not excluded from the scope of the present invention.
【００３４】[0034]
【発明の効果】以上、詳細に説明したように、本発明に
よれば、次のような効果を奏することができる。第１発
明によれば、 （１）光ファイバを円筒の内側と外側に巻き付けた構造
であるため、感度を向上させることができる。As described in detail above, according to the present invention, the following effects can be obtained. According to the first aspect of the invention, (1) since the optical fiber is wound around the inside and outside of the cylinder, the sensitivity can be improved.
【００３５】また、光ファイバの長さを長くたい場合に
は、重ねて巻くことにより、センサが大型になることは
なく、小型で精度の高い光ファイバ音響センサを得るこ
とができる。 （２）この光ファイバ音響センサは、音圧によってのみ
発生する呼吸振動だけを検出するので、加速度感度を抑
制することができる。When the length of the optical fiber is desired to be long, the size of the sensor does not become large and the optical fiber acoustic sensor having a small size and high accuracy can be obtained by winding the fibers in an overlapping manner. (2) Since this optical fiber acoustic sensor detects only respiratory vibration generated only by sound pressure, acceleration sensitivity can be suppressed.
【００３６】（３）接着剤が接着しないようにした円柱
に巻き取った光ファイバを円筒の内側に接着するように
したので、製造が簡単である。第２発明によれば、更
に、 （１）センサ内全てが、静的には圧力バランスが保たれ
ているので耐水圧が高い。(3) Since the optical fiber wound into a cylinder in which the adhesive is not adhered is adhered to the inside of the cylinder, the manufacture is simple. According to the second aspect of the invention, further, (1) since the pressure balance is statically maintained in all of the inside of the sensor, the water pressure resistance is high.
【００３７】（２）外側のヘルムホルツ共振器の共振周
波数ｆOA以上の周波数帯は検出されないので、周波数折
り返しによる信号歪みを軽減することができる。(2) Since the frequency band higher than the resonance frequency f OA of the outer Helmholtz resonator is not detected, the signal distortion due to the frequency folding can be reduced.
【図１】本発明の第１実施例を示す円筒型光ファイバ音
響センサの構造を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a structure of a cylindrical optical fiber acoustic sensor showing a first embodiment of the present invention.
【図２】本発明の第１実施例を示す円筒型光ファイバ音
響センサの円筒の振動モデルを示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a vibration model of a cylinder of the cylindrical optical fiber acoustic sensor according to the first embodiment of the present invention.
【図３】本発明の第１実施例を示す円筒型光ファイバ音
響センサの製造方法を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a method of manufacturing the cylindrical optical fiber acoustic sensor according to the first embodiment of the present invention.
【図４】従来の振動板の屈曲を利用した高感度光ファイ
バハイドロホンの構成図である。FIG. 4 is a configuration diagram of a conventional high-sensitivity optical fiber hydrophone that utilizes bending of a diaphragm.
【図５】従来の振動板の屈曲を利用した高耐水圧型の高
感度光ファイバハイドロホンの構成図である。FIG. 5 is a configuration diagram of a conventional high-pressure-resistant high-sensitivity optical fiber hydrophone that utilizes bending of a diaphragm.
【図６】従来の光ファイバ音響センサのスペクトラムを
示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a spectrum of a conventional optical fiber acoustic sensor.
【図７】本発明の第２実施例を示す高域制限機能付円筒
型光ファイバ音響センサの構造を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a structure of a cylindrical optical fiber acoustic sensor with a high frequency limiting function showing a second embodiment of the present invention.
【図８】本発明の第２実施例を示す高域制限機能付円筒
型光ファイバ音響センサの円筒の振動モデルを示す断面
図である。FIG. 8 is a sectional view showing a vibration model of a cylinder of a cylindrical optical fiber acoustic sensor with a high frequency limiting function according to a second embodiment of the present invention.
【図９】本発明の第３実施例を示す帯域制限機能付円筒
型光ファイバ音響センサの構造を示す断面図である。FIG. 9 is a cross-sectional view showing the structure of a cylindrical optical fiber acoustic sensor with a band limiting function showing a third embodiment of the present invention.
１０ 円筒体 １１，３１，４１ 円筒 １２，１３，３２，３３ 光ファイバコイル １４，１６ 柔らかいリング状の板 １５，１７，３４，４４ 蓋 ２１ 円柱 ２２ 棒 ３５，４５，４７ オリフィス ４６ 筐体 10 Cylindrical body 11,31,41 Cylinder 12,13,32,33 Optical fiber coil 14,16 Soft ring-shaped plate 15,17,34,44 Lid 21 Cylinder 22 Rod 35,45,47 Orifice 46 Housing
Claims (4)
相変化に変換する円筒型光ファイバ音響センサにおい
て、 円筒の内側と外側にそれぞれ１本ずつ光ファイバが巻か
れた光ファイバコイルを形成し、前記円筒の両端に柔ら
かい材料を挟んで蓋を付け、前記円筒の呼吸振動を検出
するようにしたことを特徴とする円筒型光ファイバ音響
センサ。1. A cylindrical optical fiber acoustic sensor for converting the sound pressure of an optical fiber hydrophone into a phase change of light, wherein an optical fiber coil is formed by winding one optical fiber inside and outside the cylinder. A cylindrical optical fiber acoustic sensor characterized in that a soft material is sandwiched between both ends of the cylinder and a lid is attached to detect breathing vibration of the cylinder.
相変化に変換する円筒型光ファイバ音響センサの製造方
法において、（ａ）円筒の外側に接着剤が付着した光フ
ァイバを巻き取って光ファイバコイルを形成し、（ｂ）
接着剤が接着しないようにした円柱に巻き取った接着剤
が付着した光ファイバコイルを前記円筒の内側に接着し
て光ファイバコイルを形成するようにしたことを特徴と
する円筒型光ファイバ音響センサの製造方法。2. A method for manufacturing a cylindrical optical fiber acoustic sensor for converting a sound pressure of an optical fiber hydrophone into a phase change of light, in which (a) an optical fiber having an adhesive adhered to the outside of a cylinder is wound up to emit light. Forming a fiber coil, (b)
A cylindrical optical fiber acoustic sensor characterized in that an optical fiber coil wound with an adhesive wound on a cylinder in which the adhesive is not adhered is adhered to the inside of the cylinder to form an optical fiber coil. Manufacturing method.
相変化に変換する圧力バランス構造の光ファイバ音響セ
ンサにおいて、 円筒の内側と外側にそれぞれ１本ずつ光ファイバを巻
き、前記円筒の両端にオリフィスを形成し、前記円筒の
呼吸振動を検出するようにしたことを特徴とする円筒型
光ファイバ音響センサ。3. An optical fiber acoustic sensor having a pressure balance structure for converting a sound pressure of an optical fiber hydrophone into a phase change of light, wherein one optical fiber is wound inside and one outside of a cylinder, and both ends of the cylinder are wound. A cylindrical optical fiber acoustic sensor, characterized in that an orifice is formed to detect respiratory vibration of the cylinder.
相変化に変換する圧力バランス構造の光ファイバ音響セ
ンサにおいて、 円筒の内側と外側にヘルツホルム共振器を構成し、前記
円筒が振動する周波数を帯域制限するようにしたことを
特徴とする円筒型光ファイバ音響センサ。4. An optical fiber acoustic sensor having a pressure balance structure for converting a sound pressure of an optical fiber hydrophone into a phase change of light, wherein a Hertzholm resonator is formed inside and outside a cylinder, and a frequency at which the cylinder vibrates is set. A cylindrical optical fiber acoustic sensor characterized by being band-limited.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12620993A JPH06339193A (en) | 1993-05-27 | 1993-05-27 | Cylinder type optical fiber acoustic sensor and its manufacture |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP12620993A JPH06339193A (en) | 1993-05-27 | 1993-05-27 | Cylinder type optical fiber acoustic sensor and its manufacture |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06339193A true JPH06339193A (en) | 1994-12-06 |
Family
ID=14929425
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP12620993A Withdrawn JPH06339193A (en) | 1993-05-27 | 1993-05-27 | Cylinder type optical fiber acoustic sensor and its manufacture |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH06339193A (en) |
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- 1993-05-27 JP JP12620993A patent/JPH06339193A/en not_active Withdrawn
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