一种自发热质点声振速微光纤声定位装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开的一种自发热质点声振速微光纤声定位装置及方法，属于声源定位领域。本发明专利技术公开一种自发热质点声振速微光纤声定位装置、一种自发热微光纤声定位装置制作方法和一种自发热微光纤声定位装置工作方法。本发明专利技术采用平行微光纤阵列的传感结构完成声信号的声强和方向的测定，主要由固定盘和两组相互垂直交叉但不接触的光纤组成，每组光纤组包括三根平行的光纤构成，即两根平行的光纤光栅和一根掺Co

【技术实现步骤摘要】
一种自发热质点声振速微光纤声定位装置及方法
本专利技术属于声源定位领域，尤其涉及一种自发射热微光纤声源定位装置及方法。
技术介绍
声源定位技术已广泛应用于局部放电检测、智能结构监测、公共安全等领域。声源定位技术是采用声学传感器接收声波，再利用电子设备将声波信号进行处理，从而实现对声源位置进行探测、识别并对目标进行定位的技术。声源定位技术传统方法采用多个电学传感器放置于不同的位置实现声源的定位，与传统的电学方法相比，光纤声传感器具有灵敏度高、体积小、抗电磁干扰等优点。通常，可以使用麦克风检测声压，声源定位可以通过两个(或多个)麦克风的数组计算，为了确定声源的位置，需要在不同的位置放置多个声学传感器。不同传感器接收到的信号之间的时延差异可以用来计算声源的位置。因此，对光纤声传感器阵列，如萨尼亚克传感器阵列和基于膜片的法布里-珀罗干涉仪阵列等光纤阵列传感器进行了研究。然而，为了提高声源定位的精度，光纤传感器阵列必须大于一个临界尺寸，因为方向分辨率依赖于两个传感器间的距离。为了提高定位精度，任意两个传感器间的距离尽可能的大。因此，尤其是对于低频声信号，要求传感器阵列中各传感器之间的距离非常大。
技术实现思路
为了克服声源定位系统的尺寸限制。本专利技术目的是提供一种自发热质点声振速微光纤声定位装置、一种自发热微光纤声定位装置制作方法和一种自发热微光纤声定位装置工作方法，采用声粒子速度描述粒子在声信号作用下在介质中的振动运动，进而实现声源定位。声振速是一个包含声音大小和方向的矢量物理量，通过检测声振速度能够使声源定位传感器小型化，克服声源定位系统的尺寸限制。本专利技术的目的是通过下述技术方案实现的：本专利技术公开的一种自发热质点声振速微光纤声定位装置，采用平行微光纤阵列的传感结构完成声信号的方向测定，主要由固定盘和两组相互垂直交叉但不接触的光纤组成；所述固定盘中间位置开设通孔；所述每组光纤组包括三根平行的光纤，即两根平行的光纤光栅和一根掺Co2+的掺杂光纤，所述掺Co2+的掺杂光纤为自热Co2+掺杂微光纤；掺Co2+的掺杂光纤位于两根平行的光纤光栅中间。声振速度描述粒子在声信号作用下在介质中的振动运动。声振速是一个包含声音大小和方向的矢量物理量。两根平行的光纤光栅和一根掺Co2+的掺杂光纤；掺Co2+的掺杂光纤位于两根平行的光纤光栅中间，声信号作用前，光纤组空间内的温度分布对称。在声信号作用下，空间温度分布不对称，使得两根光纤光栅的波长间距发生变化。声振速通过波长之间的差值来测量。自热Co2+掺杂微光纤的热空间分布随着声源方向的不同而变化，使得两根微光纤的波长间距发生变化，由于声振速是矢量物理量，当声源位置改变时，温度差也随之改变。即自发热掺Co2+杂质微光纤的热空间分布随着声源方向的不同而变化，使得两根微光纤光栅的波长间距发生变化，声方向测试通过Y方向和X方向的比值得到，实现远程探测或强电磁干扰环境下的定向声信号检测。在声信号作用下，空间温度分布不对称，使得两根光纤光栅的波长间距发生变化。声粒子速度通过波长之间的差值来测量，进而实现远程探测或强电磁干扰环境下的定向声信号检测，实现方法如下：自热Co2+掺杂微光纤通过单模光纤SMF发射激光加热。光纤芯内部温度Tcore和光纤芯外部的温度Tsp分别表示为：其中：T0为最高温度，Q0为焦耳热功率密度，r为极坐标半径，k为导热系数，a为光纤半径。声波是一个周期信号，声波的质点速度在谐波形式μ＝μ0ei2πf，其中μ0是最大声粒子速度，f是声波频率。而μ0ei2πf是x方向上的声粒子速度。由传热函数知，温度变化仅在x方向上与声粒子速度APV诱导的强制对流和热扩散δT有关，表示为：其中：D为热扩散系数，P为耗散功率，K1为贝塞尔函数，θ为声源方向角，即声振速与X轴夹角。由于声波的作用，自热Co2+掺杂微光纤内部的温度分布也变得不对称。声信号下不同空间区域的温差导致自热Co2+掺杂微光纤、光纤光栅两种微光纤光栅的波长变化相反。因此声粒子速度的测量通过检测两个微光纤光栅的波长间隔Δλ来实现，两个微光纤光栅的波长间隔Δλ表示为：其中：λ1和λ2是有声信号时的布拉格波长；λa和λb是无声信号时的布拉格波长，neff和Λ是微光纤光栅的折射率和周期，ΔT是温度差。由于质点声粒子速度矢量，因此声速元素沿着X轴方向随着角度θ改变，又因为两个微光纤光栅同时沿着X方向变化，通过两个微光纤光栅温度差的测量两个微光纤光栅fbgs的波长间隔Δλ，进而实现远程探测或强电磁干扰环境下的定向声信号检测。Y轴方向同理。作为优选，所述固定盘材质是金属；参股的掺杂光纤；自发热的参股的掺杂光纤作为优选，所述固定盘中间位置开设通孔的形状包括圆形、正方形、长方形、梯形、三角形。作为优选，所述一种自发热质点声振速微光纤声定位装置，制作在一个环形金属平面上，即制作在环形金属固定盘上，固定盘中间位置包含一个边长为1.5mm的正方形通孔。作为优选，通过增加光纤声传感器，实现声音强度的测量；即综合自发热质点声振速微光纤声定向装置和光纤声传感器，实现声音的方向和强度测量。本专利技术还公开一种自发热微光纤声定位装置制作方法，用于制作一种自发热微光纤声定位装置，所述制作方法为：将所述一种自发热微光纤声定位装置制作在一个环形金属平面，其中包含一个正方形通孔。利用激光微加工技术，在正方形通孔的每侧中间制作出矩形沟槽。将自热掺杂Co2+的微光纤与1250～1620nm的单模光纤SMF熔接在一起。然后将一根自热掺杂Co2+的微光纤沿x轴放置在矩形槽内，在掺杂Co2+的光纤两侧各放置两个具有相同布拉格波长的微光纤光栅，并将所述三根光纤固定在槽内。矩形槽和三根光纤具有相同的大小，并且掺Co2+光纤和光纤光栅在x轴向的矩形沟槽相互平行，所述三根光纤指光纤组中三根平行的光纤，即两根平行的光纤光栅和一根掺Co2+的掺杂光纤。另外两个平行的微光纤光栅和一个掺Co2+的光纤沿y轴放置与另x轴方向的槽中掺Co2+光纤和微光纤光栅垂直。x轴和y轴上分别有三根光纤组成的光纤组，每个光纤组包含两根平行的光纤光栅和一根掺Co2+的掺杂光纤，x轴和y轴上的光纤组形成交叉构型，即交叉平行微光纤阵列，该交叉型结构的光纤光栅放在方形通孔中。所述交叉平行微光纤阵列的整体尺寸小于正方形通孔，掺Co2+的掺杂光纤产生的热量由于高度差大于200μm，对沿不同轴向的微光纤光栅影响可忽略。由于两根平行的微光纤光栅同时垂直于不同轴向的Co2+掺杂微光纤，所以两根平行的微光纤光栅在不同轴向上的温度效应是相同的。因此，虽然两根平行的微光纤光栅受到沿不同轴向的Co2+掺杂微光纤的影响，但由于温度效应相同，两根平行的微光纤光栅的温度效应得到补偿。本专利技术还公开一种自发热微光纤声定位装置工作方法为：基于所述一种自发热微光纤声定位装置制作方法，制作一种自发热微光纤声定位装置，在制作一种自发热微光纤声定位装置后，在声信号作用下，空间温度分布不对称，使得两根光纤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种自发热质点声振速微光纤声定位装置，其特征在于：采用平行微光纤阵列的传感结构完成声信号的方向测定，主要由固定盘和两组相互垂直交叉但不接触的光纤组成；所述固定盘中间位置开设通孔；所述每组光纤组包括三根平行的光纤，即两根平行的光纤光栅和一根掺Co

【技术特征摘要】
1.一种自发热质点声振速微光纤声定位装置，其特征在于：采用平行微光纤阵列的传感结构完成声信号的方向测定，主要由固定盘和两组相互垂直交叉但不接触的光纤组成；所述固定盘中间位置开设通孔；所述每组光纤组包括三根平行的光纤，即两根平行的光纤光栅和一根掺Co2+的掺杂光纤，所述掺Co2+的掺杂光纤为自热Co2+掺杂微光纤；掺Co2+的掺杂光纤位于两根平行的光纤光栅中间。


2.如权利要求1所述的一种自发热质点声振速微光纤声定位装置，其特征在于：声振速描述粒子在声信号作用下在介质中的振动运动；声振速是一个包含声音大小和方向的矢量物理量；两根平行的光纤光栅和一根掺Co2+的掺杂光纤；掺Co2+的掺杂光纤位于两根平行的光纤光栅中间，声信号作用前，光纤组空间内的温度分布对称；在声信号作用下，空间温度分布不对称，使得两根光纤光栅的波长间距发生变化；声振速通过波长之间的差值来测量；自热Co2+掺杂微光纤的热空间分布随着声源方向的不同而变化，使得两根微光纤的波长间距发生变化，由于声振速是矢量物理量，当声源位置改变时，温度差也随之改变；即自发热掺Co2+杂质微光纤的热空间分布随着声源方向的不同而变化，使得两根微光纤光栅的波长间距发生变化，声方向测试通过Y方向和X方向的比值得到，实现远程探测或强电磁干扰环境下的定向声信号检测。


3.如权利要求2所述的一种自发热质点声振速微光纤声定位装置，其特征在于：在声信号作用下，空间温度分布不对称，使得两根光纤光栅的波长间距发生变化；声粒子速度通过波长之间的差值来测量，进而实现远程探测或强电磁干扰环境下的定向声信号检测，实现方法如下：
自热Co2+掺杂微光纤通过单模光纤SMF发射激光加热；光纤芯内部温度Tcore和光纤芯外部的温度Tsp分别表示为：






其中：T0为最高温度，Q0为焦耳热功率密度，r为极坐标半径，k为导热系数，a为光纤半径；
声波是一个周期信号，声波的质点速度在谐波形式μ＝μ0ei2πf，其中μ0是最大声粒子速度，f是声波频率；而μ0ei2πf是x方向上的声粒子速度；由传热函数知，温度变化仅在x方向上与声粒子速度APV诱导的强制对流和热扩散δT有关，表示为：



其中：D为热扩散系数，P为耗散功率，K1为贝塞尔函数，θ为声源方向角，即声振速与X轴夹角；
由于声波的作用，自热Co2+掺杂微光纤内部的温度分布也变得不对称；声信号下不同空间区域的温差导致自热Co2+掺杂微光纤、光纤光栅两种微光纤光栅的波长变化相反；因此声粒子速度的测量通过检测两个微光纤光栅的波长间隔Δλ来实现，两个微光纤光栅的波长间隔Δλ表示为：



其中：λ1和λ2是有声信号时的布拉格波长；λa和λb是无声信号时的布拉格波长，neff和Λ是微光纤光栅的折射率和周期，ΔT是温度差；由于质点声粒子速度矢量，因此声速元素沿着X轴方向随着角度θ改变，又因为两个微光纤光栅同时沿着X方向变化，通过两个微光纤光栅温度差的测量两个微光纤光栅的波长间隔Δλ，进而实现远程探测或强电磁干扰环境下的定向声信号检测；Y轴方向同理。


4.如权利要求3所述的一种自发热质点声振速微光纤声定位装置，其特征在于：所述固定盘中间位置开设通孔的形状包括圆形、正方形、长方形、梯形、三角形...

【专利技术属性】
技术研发人员：高然，忻向军，叶建森，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京;11