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 результате этого 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, регистрирующий изменения мощности света на выходе световода, либо оптич. система обработки выходного сигнала. В большинстве конструкций О. п. з. применяется также акустомеханич. преобразователь, обеспечивающий заданный характер деформаций световода под действием звуковой волны. В соответствии с тем, какой из параметров света используется для определения характеристик звуковой волны, О. п. з. подразделяют на интерферометрич., поляризац. и амплитудные.
В приёмниках на основе фазовой модуляции света приём звука осуществляется с помощью интерферометрич. схем (Маха - Цендера, Майкельсона, Фабри - Перо и др.) благодаря интерференции световых волн, 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, помещённый в акустич. поле, в другом - опорный световод 5, изолированный от звука либо обладающий меньшей чувствительностью к звуковому давлению, что достигается соответствующим выбором упругих свойств покрытий световода, его длины и др. Световые волны, выходящие из опорного и сигнального световодов, интерферируют на фотокатоде, в результате чего мощность света, попадающего на фотоприёмник 6, модулируется в соответствии с изменяющейся разностью фаз между волнами. На выходе фотоприёмника при этом наблюдается электрич. сигнал звуковой частоты.
В О. п. з. на основе одноплечевого интерферометра Фабри - Перо модуляция фазы света в световоде преобразуется в модуляцию интенсивности благодаря многолучевой интерференции лучей разл. порядков отражения от торцов световода.
В интерферометрич. О. п. з. применяются как одномо-довые, так и многомодовые световоды. В приёмниках с многомодовыми световодами может использоваться также межмодовая интерференция. Оптим. режим работы приёмника определяется условием где - пост. разность фаз интерферирующих волн. Сигнал на выходе приёмника линейно зависит от звукового давления при условии 1.
Поляризац. модуляция в О. п. з. (рис. 2) имеет место при наличии анизотропных напряжений и деформаций в световоде 4 (закручивание, сжатие, изгиб), к-рые обусловливают двулучепреломление в одномодовых волоконных световодах. В таком анизотропном оптич. волокне оказывается возможным распространение двух ортогонально поляризов. световых волн с разл. фазовыми скоростями. Воздействие акустич. волны на двулучепреломляющий световод вызывает изменение разности фаз между ортогонально поляризов. модами, к-рое преобразуется с помощью поляризац. анализатора 6 в модуляцию интенсивности света на фотоприёмнике 7. Оптим. режим работы и условие линейности определяются теми же соотношениями, что и для интерферомет-рпч. приёмников. В поляризац. приёмниках широко применяются акустомеханич. преобразователи в 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 интерферометром Маха - 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 приёмниках связана, как правило, с появлением под действием звука дополнит. потерь оптич. мощности (на изгибах и микроизгибах световода, вследствие изменения числовой апертуры световода, в результате дифракции света на звуке достаточно высоких частот и др.). В приёмниках этого типа применяются как одномодовые, так и многомодовые световоды. Наиб. типичный акустомеханич. преобразователь 4 амплитудного приёмника (рис. 3) представляет собой две зубчатые пластины, между к-рыми помещён волоконный световод. Воздействие звукового давления на пластины вызывает изменение расстояния между ними и соответственно изменение профиля изгиба световода, что приводит к модуляции потерь оптич. мощности в световоде. Чувствительность приёмника зависит от профиля показателя преломления световода, формы изгиба и распределения энергии по модам. Использование пространственных фильтров позволяет возбуждать и детектировать заданные моды и перестраивать таким образом чувствительность приёмника.

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

Акустич. преобразование в чувствит. элементе О. п. з. удобно характеризовать параметром представляющим относит. изменение мощности света I на выходе световода под действием звукового давления, приведённое к единице длины световода и единице давления:

Этот параметр определяет чувствительность О. п. з. М [мкВ/Па], к-рая обычно пропорц. длине световода L и мощности источника света. Наиб. высоким значением характеризуются, как правило, интерферометрич. приёмники. Напр., для приёмника на основе интерферометра Маха - Цендера с чувствит. элементом в виде кварцевого световода с полиамидным покрытием, навитого на цилиндр из полиуретана, значение = 10^-1 - 10^-2 рад/м х Па. Соответствующий параметр О. п. з. на основе поляризац. модуляции в том же чувствпт. элементе прибл. на два порядка меньше.
Достоинствами О. п. з. являются слабая подверженность влиянию эл--магн. помех, относительно высокая чувствительность и большой динамич. диапазон, возможность стыковки с системами оптич. обработки информации и относит. простота способов построения приёмников с распределёнными параметрами. О. п. з. находят применение в качестве гидрофонов, микрофонов, виброметров. Порог чувствительности, т. е. мин. звуковое давление, обнаруживаемое на фоне собств. шумов, для большинства О. п. з. сопоставим с порогом слышимости (см. Пороги слуха)и уровнем шумов океана и составляет ~ 0 - 40 дБ относительно 1 мкПа/Гц¹/₂. При этом характерный динамич. диапазон большинства О. п. з. составляет 110 - 130 дБ. Осн. вклад в собств. шумы О. п. з. дают дробовой эффект в фотоприёмнике и шумы источника света (частотные и амплитудные). Последние преобладают на НЧ (десятки, сотни Гц). Значит. влияние на параметры О. п. з. могут оказывать температурные и вибрац. внеш. воздействия. Они, в частности, вызывают нарушение оптим. режима работы и наиб. существенны для интерферометрич. О. п. з. Температурный коэф. изменения фазы света в кварцевом световоде составляет ~100 рад/м х град и превышает соответствующий коэф. поляризац. приёмников на 2 - 3 порядка.
Для уменьшения влияния флуктуаций параметров световода из-за внеш. воздействий применяют металлизиров. покрытия световодов, эл--механич. и эл--оптич. системы, изменяющие длину опорного плеча, системы оптич. обработки сигнала на основе методов динамич. голографии в фоторефрактивных средах.

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-оптические датчики параметров физических полей, "Квантовая электроника", 1984, т. 11, № 1, с. 10; Сulshaw В., Optical fibre sensing and signal processing, L., 1984.

Ю. Ю. Смирнов.