Приглашаем посетить сайт

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах
ОПТОВОЛОКОННЫЕ ПРИЁМНИКИ ЗВУКА

ОПТОВОЛОКОННЫЕ ПРИЁМНИКИ ЗВУКА

ОПТОВОЛОКОННЫЕ ПРИЁМНИКИ ЗВУКА - приёмники, <действие к-рых основано на изменении параметров световода (показателя преломления, <длины, формы и т. п.) под действием звуковой волны и возникающей в результатеэтого модуляции характеристик световой волны (фазы, поляризации, амплитуды),распространяющейся в световоде. В состав О. п. з. входят источник света(лазер, светодиод), чувствит. элемент - световод и фотоприёмник, регистрирующийизменения мощности света на выходе световода, либо оптич. система обработкивыходного сигнала. В большинстве конструкций О. п. з. применяется такжеакустомеханич. преобразователь, обеспечивающий заданный характер деформацийсветовода под действием звуковой волны. В соответствии с тем, какой изпараметров света используется для определения характеристик звуковой волны, <О. п. з. подразделяют на интерферометрич., поляризац. и амплитудные.

В приёмниках на основе фазовой модуляциисвета приём звука осуществляется с помощью интерферометрич. схем (Маха- Цендера, Майкельсона, Фабри - Перо и др.) благодаря интерференции световыхволн, по-разному промодулированных звуком. Изменение фазы световой волны происходит в результате изменения эфф. показателя преломления n _эф и длины световода L под действием звукового давления р:

где - длина волны света. Простейший приёмник на основе фазовой модуляции света(рис. 1) представляет собой двухплечевой оптоволоконный интерферометр, <в одном плече к-рого расположен сигнальный световод 4, помещённыйв акустич. поле, в другом - опорный световод 5, изолированный от звукалибо обладающий меньшей чувствительностью к звуковому давлению, что достигаетсясоответствующим выбором упругих свойств покрытий световода, его длины идр. Световые волны, выходящие из опорного и сигнального световодов, интерферируютна фотокатоде, в результате чего мощность света, попадающего на фотоприёмник 6, модулируетсяв соответствии с изменяющейся разностью фаз между волнами. На выходе фотоприёмникапри этом наблюдается электрич. сигнал звуковой частоты.

В О. п. з. на основе одноплечевого интерферометраФабри - Перо модуляция фазы света в световоде преобразуется в модуляциюинтенсивности благодаря многолучевой интерференции лучей разл. порядковотражения от торцов световода.

В интерферометрич. О. п. з. применяютсякак одномо-довые, так и многомодовые световоды. В приёмниках с многомодовымисветоводами может использоваться также межмодовая интерференция. Оптим. <режим работы приёмника определяется условием где -пост. разность фаз интерферирующих волн. Сигнал на выходе приёмника линейнозависит от звукового давления при условии 1.

Поляризац. модуляция в О. п. з. (рис.2) имеет место при наличии анизотропных напряжений и деформаций в световоде . (закручивание, сжатие, изгиб), к-рые обусловливают двулучепреломлениев одномодовых волоконных световодах. В таком анизотропном оптич. волокнеоказывается возможным распространение двух ортогонально поляризов. световыхволн с разл. фазовыми скоростями. Воздействие акустич. волны на двулучепреломляющийсветовод вызывает изменение разности фаз между ортогонально поляризов. <модами, к-рое преобразуется с помощью поляризац. анализатора 6 вмодуляцию интенсивности света на фотоприёмнике 7. Оптим. режим работы иусловие линейности определяются теми же соотношениями, что и для интерферомет-рпч. <приёмников. В поляризац. приёмниках широко применяются акустомеханич. преобразователив виде цилиндра 5 из упругого материала (резины, пластмасс и т. <п.), на к-рый навит чувствит. элемент - одномодовый световод 4.

Рис. 1. Приёмник звука с интерферометромМаха - Цендера: 1- лазер, 2 - микрообъективы;3 - ответвители;4- сигнальный световод на катушке; 5 - опорный световод;6- фотоприёмник.

Рис. 2. Поляризационный приёмник звука:1- лазер; 2 - четвертьволновая пластина; 3 - микрообъективы;4- световод; 5 - упругий цилиндр; S - поляризационный анализатор; 7- фотоприёмники.

Модуляция спета в амплитудных приёмникахсвязана, как правило, с появлением под действием звука дополнит. потерьоптич. мощности (на изгибах и микроизгибах световода, вследствие изменениячисловой апертуры световода, в результате дифракции света на звуке достаточновысоких частот и др.). В приёмниках этого типа применяются как одномодовые, <так и многомодовые световоды. Наиб. типичный акустомеханич. преобразователь . амплитудного приёмника (рис. 3) представляет собой две зубчатые пластины, <между к-рыми помещён волоконный световод. Воздействие звукового давленияна пластины вызывает изменение расстояния между ними и соответственно изменениепрофиля изгиба световода, что приводит к модуляции потерь оптич. мощностив световоде. Чувствительность приёмника зависит от профиля показателя преломлениясветовода, формы изгиба и распределения энергии по модам. Использованиепространственных фильтров позволяет возбуждать и детектировать заданныемоды и перестраивать таким образом чувствительность приёмника.

Рис. 3. Амплитудный приёмник звука: 1- лазер; 2 - объективы; 3 - световод; 4 - акустомеханическийпреобразователь - зубчатые пластины; 5 - фотоприёмник.

Акустич. преобразование в чувствит. элементеО. п. з. удобно характеризовать параметром представляющим относит. изменение мощности света I на выходе световодапод действием звукового давления, приведённое к единице длины световодаи единице давления:

Этот параметр определяет чувствительностьО. п. з. М[мкВ/Па], к-рая обычно пропорц. длине световода . имощности источника света. Наиб. высоким значением характеризуются, как правило, интерферометрич. приёмники. Напр., для приёмникана основе интерферометра Маха - Цендера с чувствит. элементом в виде кварцевогосветовода с полиамидным покрытием, навитого на цилиндр из полиуретана, <значение = 10^-1 - 10^-2 рад/м х Па. Соответствующий параметрО. п. з. на основе поляризац. модуляции в том же чувствпт. элементе прибл. <на два порядка меньше.

Достоинствами О. п. з. являются слабаяподверженность влиянию эл.-магн. помех, относительно высокая чувствительностьи большой динамич. диапазон, возможность стыковки с системами оптич. обработкиинформации и относит. простота способов построения приёмников с распределённымипараметрами. О. п. з. находят применение в качестве гидрофонов, микрофонов, виброметров. <Порог чувствительности, т. е. мин. звуковое давление, обнаруживаемое нафоне собств. шумов, для большинства О. п. з. сопоставим с порогом слышимости(см. Пороги слуха )и уровнем шумов океана и составляет ~ 0 - 40дБ относительно 1 мкПа/Гц ¹/₂. При этом характерныйдинамич. диапазон большинства О. п. з. составляет 110 - 130 дБ. Осн. вкладв собств. шумы О. п. з. дают дробовой эффект в фотоприёмнике и шумы источникасвета (частотные и амплитудные). Последние преобладают на НЧ (десятки, <сотни Гц). Значит. влияние на параметры О. п. з. могут оказывать температурныеи вибрац. внеш. воздействия. Они, в частности, вызывают нарушение оптим. <режима работы и наиб. существенны для интерферометрич. О. п. з. Температурныйкоэф. изменения фазы света в кварцевом световоде составляет ~100 рад/мх град и превышает соответствующий коэф. поляризац. приёмников на 2 - 3порядка.

Для уменьшения влияния флуктуаций параметровсветовода из-за внеш. воздействий применяют металлизиров. покрытия световодов, <эл.-механич. и эл.-оптич. системы, изменяющие длину опорного плеча, системыоптич. обработки сигнала на основе методов динамич. голографии в фоторефрактивныхсредах.

Лит.: Лямшев Л. М., Смирнов Ю. Ю.,Волоконнооптические приемники звука. Обзор, "Акуст. ж.", 1983, т. 29, №3, с. 289; Бадаев В. И., Мишин Е. В., Пятахин В. И., Волоконно-оптическиедатчики параметров физических полей, "Квантовая электроника", 1984, т.11, № 1, с. 10; Сulshaw В., Optical fibre sensing and signal processing,L., 1984.

Ю. Ю. Смирнов.