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DFB光纤激光器声致弯曲振动研究

2012-08-16 10:04
安娜PARKER
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  由式(6)可知,平面波每单位声压作用在每单位长度圆柱上的净力|F/P0|与频率f成正比关系:

  其中A0为常数,f为声波频率,单位为Hz。将光纤半径a=62.5μm,以及声速c=1500m/s代入式(7)可得A0=6.45×10-10m2·s。

  3.2弯曲引起的光纤拉伸

  光纤在此净力作用下,将产生横向振动,从而引起光纤的拉伸,并在光纤内部产生应变。设沿光纤轴向上各点的横向位移为η(x),则由结构横向位移与纵向伸长之间的关系,可知长度为L的光纤总伸长量为:

  3.3DFB光纤激光器声压灵敏度数值仿真

  取裸纤直径D=125×10-6m,密度ρ=2700kg/m3,光纤弹性模量E=7.5×1010Pa,泊松比υ=0.17,长度L=50×10-3m,在有限元软件ANSYS中建立DFB光纤光栅激光器两端固定的梁模型;施加载荷为平面波单位声压作用在单位长度光纤上的净力,根据公式(7)可知其幅度为F0=6.45×10-10·f;以每40Hz为一个间隔点,对20Hz~2000Hz频率范围内50个频点的光纤的弯曲振动进行了谐响应分析,得到光纤模型各节点在声波净力作用方向上的位移幅值;根据公式(9),由各横向位移值计算出DFB光纤激光器在各个频点内部产生的轴向应变;将应变值以及非平衡干涉仪路径长度d=60m代入公式(5),计算出采取60m非平衡路径长干涉仪解调所得的各个频点DFB光纤激光器的声压灵敏度,并绘制了频响曲线。

  由分析可以看出,根据弯曲引起光纤轴向应变计算所得的DFB光纤激光水听器声压灵敏度在计算频率范围内整体达到了高于-140dB(re1rad/μPa)的水平,在约350Hz和1900Hz附近出现谐振,峰值灵敏度达到约-100dB。而根据文献[2],在静水压力作用下采用200m非平衡路径长度干涉仪解调的DFB光纤激光器灵敏度仅为-171dB(re1rad/μPa),若同样采用60m非平衡路径长度的干涉仪解调,则根据公式(5)改变d值计算可知灵敏度约为-175.4dB,可见由于弯曲引起的应变已远远高于均匀受压时引起的应变,而且灵敏度起伏非常大。

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