[发明专利]声压传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于检测声信号的传感器。特别地，本发明涉及一种适合于作为水听器而部署在水下环境中的无源声学传感器。

背景技术

声学传感器主要基于电子压电器件，其中压电材料的变形引起电压改变，该电压改变可以利用适当的电子元件来测量。然而，这些器件基本上需要本地仪器，其不利于诸如部署在水下阵列中的水听器之类的遥感应用，并且导致传感器比期望的更加庞大更加复杂。这是由于数据和电源电缆以及预放大要求使得具有该性质的水听器阵列难以部署和维护。基于压电的器件的其它一些缺点包括其对电磁干扰的敏感性从而减小了其总的灵敏度，以及由于其有源电子元件使得它们可能会被其他各方检测到的事实。

为此，已经进行了多种尝试来开发基于光纤技术的声学传感器(参见例如C K Kirkendall和A Dandridge的“Overview of High PerformanceFibre-Optic Sensing(高性能光纤感应综述)”，J.Phys.D：Appl.Phys.37，R197-R216，2004)。一种尝试使用分布式反馈光纤激光器(DFB FL)，其特性包括很窄的激光波长输出和配置为在不同波长上操作的能力，使得它们适合于波分复用(参见例如D J Hill，P J Nash，D A Jackson，D JWebb，S F O’Neill，I Bennion和I Zhang的“A Fibre Laser HydrophoneArray(光纤激光水听器阵列)”，Proc.SPIE，3860，55-66，1999)。

这些传感器基于这些激光器的重要特征，即所发射的激光的频率(或等价波长)对光纤上引入的应变敏感。应该理解，这源于光纤激光器的谐振腔尺寸以及那些经受应变的区域中的光纤折射率的改变。然而，尽管这些器件由于在“湿端”不需要电子仪器而且具有将多个传感器复用在单根光纤中的能力，从而相对于基于电子的器件而言提供了多种优点，但是已经发现它们对所关心的多种水听器类型的应用不够敏感。同样，已经发现它们固有地对非声学振动敏感，使得它们对于许多应用而言具有不可接受的噪声。

一些针对增大分布式反馈光纤激光器的灵敏度的尝试包括将光纤封装在环氧树脂或聚亚安酯的圆柱中从而形成环绕光纤激光器的激光有源区域的心轴。尽管环绕分布式反馈光纤激光器的腔体和关联区域的光纤体积增大稍微改善了应变对压力的灵敏度，但是它仍不足以用于诸如水听器之类的那些需要极高灵敏度的应用。另外，以这种方式修改的分布式反馈光纤激光器由于为增加应变对压力的灵敏度而增加的包层材料的质量而使得谐振频率整体变低。

现有技术中还有些尝试通过将光纤激光器的两端附接到机械结构使得光纤处于与吉他弦相类似的张力下来提高灵敏度。这种结构配置为响应于压力改变而拉长或压缩，从而使光纤发生应变。这些器件仅解决了增强压力灵敏度的问题，而没有解决同样重要的关于固有的振动噪声灵敏度的问题，并且事实上在某些环境下它们会增大噪声灵敏度。

本发明的目的是提供一种适合作为水听器而部署的基于光纤激光器技术的声学传感器。

发明内容

在本发明的第一方面中，相应地提供了一种用于感应声信号的器件，所述器件包括：

柔性部分，所述柔性部分包括激光有源区域，所述激光有源区域的发射波长根据作用在所述柔性部分上的机械力而变化；以及

柔性支承构件，所述柔性支承构件可操作为根据所述声信号而伸缩或弯曲，其中所述柔性部分与所述柔性支承构件耦合以使得所述柔性部分根据所述柔性支承构件而伸缩或弯曲，从而改变所述柔性部分的所述激光有源区域的发射波长。

因为柔性支承构件通过直接使得柔性部分伸缩而有效地放大了声信号的效应，这就得到了具有更大灵敏度的声学传感器。

优选地，所述柔性部分包括包含所述激光有源区域的伸长的柔性光纤，所述伸长的柔性光纤附接到所述柔性支承构件以使得所述伸长的柔性光纤根据所述柔性支承构件而伸缩或弯曲。

因为柔性支承构件使得光纤随着其轴相对于中立弯曲轴的偏移而伸缩，这就有效地放大了支承构件的任何弯曲对光纤的影响。另外，因为光纤本质上就是趋向于伸缩的，所以以这种方式使得光纤弯曲和伸缩将不会不适当地破坏光纤然而仍然能够使得来自激光有源区域的发射波长发生可测量的改变。

优选地，所述伸长的柔性光纤附接到所述柔性支承构件以使得所述伸长的柔性光纤以基本上与所述柔性支承构件共同的曲率半径而伸缩或弯曲。