[發明專利]一種光纖水聽器聲壓靈敏度的仿真計算方法

在審

• 申請號: 201710164756.3
• 申請日: 2017-03-20
• 公開（公告）號: CN107085627A
• 公開（公告）日: 2017-08-22
• 發明（設計）人: 陳開;王俊
• 申請（專利權）人: 上海傳輸線研究所（中國電子科技集團公司第二十三研究所）
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 上海市嘉華律師事務所31285
• 代理人: 黃琮,夏燁

技術領域

本發明屬于光纖傳感領域，涉及一種仿真計算方法，尤其涉及一種光纖水聽器聲壓靈敏度的仿真計算方法。

背景技術

光纖傳感技術是伴隨光導纖維和光纖通信技術發展而形成的一門新技術，其廣泛應用于航天航海、核工業、橋梁隧道、建筑、石油開采、電力傳輸、醫療、科研等領域。光纖水聽器的研究已經取得了巨大的進步，現正向工程化、裝備化邁進。由于光纖水聽器的使用環境復雜多變，不同的使用環境對光纖水聽器的聲壓靈敏度有著不同的要求，需要通過調整光纖水聽器敏感部件(即線圈)的尺寸以達到調整光纖水聽器聲壓靈敏度的目標，以適應多種多樣的使用要求。

現有技術中的調整方法主要基于設計人員的個人經驗，并通過不斷打樣確定光纖水聽器線圈的尺寸，費時、費力又開銷巨大。

因此急需一種快速、準確的方法對不同尺寸的線圈進行計算，在設計之初明確所設計的光纖水聽器線圈的聲壓靈敏度。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種光纖水聽器聲壓靈敏度的仿真計算方法。

本發明為解決上述技術問題而采用的技術方案是提供一種光纖水聽器聲壓靈敏度的仿真計算方法，包括如下步驟：

S1：選擇敏感光纖2，將敏感光纖2纏繞于線圈基底3上組成光纖水聽器的線圈1上，通過給定的敏感光纖2的長度和線圈基底3的尺寸分別計算敏感光纖每層的纏繞圈數n和纏繞層數St；

S2：利用有限元仿真分析軟件，建立以線圈基底3的軸對稱面為基礎幾何模型且包含纏繞圈數為n、纏繞層數為St的纏繞于線圈基底3上的每一圈敏感光纖2模型的整體有限元仿真模型；

S3：在線圈1與水接觸的表面施加單位靜壓力ΔP，通過有限元仿真分析軟件計算得到表面的每一圈敏感光纖2模型圓心的徑向位移；

S4：將步驟S3所得的徑向位移相加，計算敏感光纖2的總長度變化量ΔL；

S5：根據敏感光纖2的總長度變化量ΔL和施加于線圈1上的單位靜壓力ΔP，計算聲壓靈敏度的仿真值Sp(dB)。

根據權利要求1所述的一種光纖水聽器聲壓靈敏度的仿真計算方法，其特征在于，所述步驟S1中按式(1)計算得到敏感光纖2每層的纏繞圈數n，按式(2)計算得到敏感光纖2的纏繞層數St；

n＝H/d (1)

St＝L/(n×π×D) (2)

式(1)和式(2)中，H為線圈上用于纏繞敏感光纖的長度，d為敏感光纖的直徑，L為敏感光纖的總長度，D為線圈基底的直徑，n和St計算結果精度為取值至整數位。

根據權利要求1所述的一種光纖水聽器聲壓靈敏度的仿真計算方法，其特征在于，所述步驟S4中按式(3)計算得到敏感光纖2的總長度變化量ΔL；

ΔL＝2×π×∑ΔX_n (3)

式(3)中，ΔX_n為每一圈敏感光纖模型圓心的徑向位移。

根據權利要求1所述的一種光纖水聽器聲壓靈敏度的仿真計算方法，其特征在于，所述步驟S5中按式(4)計算得到聲壓靈敏度的仿真值Sp(dB)。

本發明對比現有技術有如下的有益效果：

本發明可以快速計算不同尺寸的光纖水聽器核心敏感部件(即線圈)的聲壓靈敏度，縮短光纖水聽器設計時間，提高設計效率。

附圖說明

圖1為光纖水聽器線圈的結構示意圖；

圖2為光纖水聽器線圈的結構尺寸示意圖；

圖3為光纖水聽器線圈的有限元仿真模型圖。

圖中：

1：線圈2：敏感光纖3：線圈基底

4：纖芯網格模型(二氧化硅)5：包覆層網格模型(丙烯酸酯)

6：膠層網格模型(環氧樹脂)7：線圈基底網格模型(聚碳酸酯)

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的描述。

圖1為光纖水聽器核心敏感部件(即線圈)的結構示意圖，其結構尺寸如圖2所示；

由于線圈的對稱性，在保證仿真精度的前提下采用現有有限元前處理軟件對線圈的軸對稱面進行網格處理，形成可用于有限元計算的有限元網格模型，如圖3所示。值得一提的是，網格中每一圈光纖都有對應的有限元網格。

采用商用有限元軟件對上述模型進行自動處理和計算，在仿真計算結果中提取每一圈光纖對應的網格的X向(即徑向)位移，根據公式3可計算得到每一圈光纖的伸長量。再根據公式4可以計算得到本款線圈的聲壓靈敏度。

以某一型號的線圈靈敏度仿真為例：