含侧腔的机械抗混叠声低通滤波光纤水听器

　　1.引言

　　干涉型光纤水听器具有灵敏度高、动态范围大、抗电磁干扰、便于复用构成大规模阵列等诸多优点,正在被考虑构成现代光电声纳系统[1-3].高频混叠是其走向应用必须解决的一个关键问题[4-6].由混叠产生的机理可知[6],增加系统工作带宽是最直接的解决方案,但系统的成本和信号解调的复杂性都会急剧上升,尤其对于未来主要发展的大规模和超大规模阵列是不可取的.为了更有效解地解决光纤水听器的信号混叠问题,我们曾提出了声低通滤波方案,基于声学滤波器原理设计了二阶和四阶声低通滤波光纤水听器,并对其声压灵敏度频响特性进行了一系列的理论和实验研究[6-10].结果表明,这类光纤水听器对高频声信号具有较强的抑制作用,为解决高频混叠问题提供了一种有效的技术途径.为了进一步改善高频衰减特性,本文基于四阶结构设计了一种含侧腔的声低通滤波光纤水听器.由于侧腔的引入,使得声压传递函数中出现了一个零点,从而加速了高频的衰减.实验测得的声压灵敏度频响曲线与理论仿真的结果基本一致,从而有效地验证了理论模型和分析结果的正确性.

　　2.探头设计与理论分析

　　与四阶光纤水听器相比[8],本文设计的光纤水听器在两个短腔中各引入了一个侧腔,如图1所示.传感轴的核心是一个高性能的全保偏Michelson型光纤干涉仪,其结构参数与四阶完全相同.声滤波器总长108mm,外径为26mm;除外面的圆柱面厚度为3mm外,其他各壁面厚度均为2mm;短腔(图1中V1)长16mm,内径为8 mm;长腔(图1中V2)长64mm,侧腔(图1中V3)长16mm;在两个侧腔柱面中间位置上沿圆周均匀地各穿4个小孔,4个端面上各穿1个小孔,孔径均为1mm.

　　假设声滤波器各壁面满足刚性条件,则当声波波长远大于光纤水听器结构尺寸时,可以认为两端开口处的声压相同,根据电-声类比的原理,可以直接画出该光纤水听器系统的声学等效电路图,如图2所示.图2中,R1,M1,R2,M2,R3和M3分别为外端面、内端面和侧腔柱面小孔的等效声阻和等效声质量;C1,C2和C3分别为短腔、长腔和侧腔的总等效声容;Copt为光纤传感轴的等效声容[10];CL为长腔自身的等效声容;p1和p2分别为外端面小孔外表面和长腔内的声压.

　　由图2可得系统的声压传递函数为

　　其中s=jω,各系数为

　　当所有小孔的尺寸相同时,有R1=R2=4R3和M1=M2=4M3.由于声低通滤波光纤水听器的损耗较小,因此系统的共振方程可近似写成

　　其中

　　由方程(8)可知,系统存在三个共振点,共振频率分别由下列公式给出: