吳國軍，李東明，徐漢鋒，王 巍

（中國船舶重工集團公司第七一五研究所，浙江杭州 320012）

0 引言

某光纖傳感設備中，補償干涉儀安裝于發(fā)射機箱中，用于補償光纖傳感探頭的臂長差，降低系統(tǒng)的相位噪聲，同時可以加載解調載波信號和聲參考信號，用于系統(tǒng)解調算法的解調。若補償干涉儀對外界環(huán)境的抗噪性能差，將會提高設備整機系統(tǒng)的相位噪聲本底，降低傳感器的探測性能。當把安裝有補償干涉儀的設備作簡單的隔振處理，放置在機房中，此時設備的整機背景噪聲為-80 dB左右。根據項目要求研制了一種新型補償干涉儀，提高了其對外界環(huán)境的抗噪性能，降低了設備的相位噪聲本底。

1 光路測試系統(tǒng)

圖1所示為光纖傳感設備使用的PGC外調制方案，將光纖繞在壓電陶瓷上，通過給壓電陶瓷提供交流驅動電壓，利用其電致伸縮效應拉伸光纖，產生載波相位。外調制原理是外加的信號周期性地改變干涉光的相位差，從而產生穩(wěn)定的相位調制。外調制產生的相位差為[1]：

其中p為壓電陶瓷在驅動電壓下產生的相位變化的幅值。τ為水聽器臂長差L產生的時延，τ=2nL/c，f為驅動調制頻率，n為纖芯有效折射率，c為光速。

圖1 PGC外調制方案

光纖干涉補償儀對外界振動和噪聲很敏感，作為光纖傳感設備中一個重要模塊，該模塊的抗干擾性能直接影響系統(tǒng)噪聲和解調效果。

設計思路是將光路系統(tǒng)中的光纖補償干涉儀整體封裝成一個模塊，用于光纖傳感設備中。

2 結構設計

對光纖干涉補償儀進行相關的結構設計，包括隔聲設計、減振設計及吸聲設計。

2.1 隔聲設計

隔聲是使用一定結構來隔絕空氣中傳播的噪聲，從而獲得安靜的環(huán)境。聲學技術中的空氣隔聲理論及隔聲量計算依據質量定律，其表述為隔聲件質量m或聲頻f加倍，隔聲量相應增加6 dB左右。

結構隔聲主要有單層結構隔聲和雙層結構隔聲，其示意圖如圖2所示。

圖2 單、雙層結構隔聲示意

采用圖2中左圖的單層結構隔聲時，依據質量定律把板厚h增大一倍時，隔聲量提高約6 dB。對隔聲量影響最大的是第一共振頻率f0，設計時要求共振頻率低于敏感聲頻率f。

單層結構隔聲的第一共振頻率計算公式2為：

式中：ρ為構件的密度（kg/m3）；

h為構件的厚度（m）。

如圖2（b）所示，雙層結構隔聲是在兩結構之間存在一定的空氣層，此時獲得的隔聲量要大于6 dB。

雙層結構共振頻率計算公式[3]：

式（2）中： ρ1、 ρ2為兩層板的密度（kg/m3）；

h1、h2為兩層板各自的厚度（m）；

ρ為空氣密度，常溫為1.18 kg/m3；

c為常溫下聲速344 m/s；

d為兩層結構間空氣層厚度（m）。

由于按相關標準已完成設備結構的設計及加工，光纖補償干涉儀作為一個模塊必須按照一定的方式安裝在設備中。安裝光纖補償干涉儀的插箱外形尺寸為300 mm 95 mm 40 mm，插箱材質為鋁合金，鈑金壁厚為4 mm。

若采用單層隔聲設計，按公式（1）得到第一共振頻率為f0=2 887 Hz，遠遠大于敏感聲頻率f。故單層隔聲設計滿足不了聲學上的指標。

基于光纖補償干涉儀的插箱結構尺寸，結合結構特定，采用雙層結構隔聲設計。如圖3所示為產品內外層結構示意圖，外層結構為光纖補償干涉儀的插箱，內層為內保護盒。

根據插箱及內保護盒中相關器件布局特定，空氣層厚度d最小處設計尺寸為10 mm。外層厚度h1為4 mm，密度ρ1為2.7 103kg/m3；內層厚度h2為3 mm，密度 ρ1為7.8 103kg/m3。代入公式（2），得到共振頻率f0為218 Hz。

圖3 產品內外層結構示意圖

綜合尺寸限制及機箱內器件的布局情況，選用隔聲效果更優(yōu)的雙層結構隔聲。

如圖4為內層結構立體圖，內層結構設計成一個盒體，其既可用于隔聲，又用作保護光纖及器件。內層盒底部上安裝有陶瓷環(huán)和繞線骨架，兩者上下面都粘貼特定厚度的海綿橡膠板用于隔振。陶瓷環(huán)上繞加載調制的光纖，繞線骨架上纏繞剩余的補償光纖。

在保護盒的各個縫隙處，粘貼海綿橡膠條。在補償干涉儀的內層結構的內外表面和外層結構內表面涂覆阻尼涂料。

圖4 內層結構立體圖

2.2 減振設計

隔振設計是使用隔振元件來達到隔振，隔振元件包括隔振墊層和隔振器。

隔振墊層利用本身的自然特性，置于需要隔振的基座下。常見的隔振墊層有軟木、毛氈、橡膠、海綿、玻璃纖維、泡沫塑料等。

隔振器是一種彈性支撐元件，是通過專門設計而制造出來的器件，主要包括油壓隔振器、彈簧隔振器、橡膠隔振器、鋼絲繩隔振器[4]。

光纖補償干涉儀插箱豎直安裝在光纖傳感設備機箱中，要求能隔離低頻振動信號；光纖傳感設備機箱的裝配要求方便。綜合以上兩方面，項目中選用鋼絲繩隔振器[5]。

隔振器實際安裝如圖5所示，采用鋼絲繩隔振器來進行光纖補償干涉儀插箱內層保護盒的隔振。上下層共安裝6只鋼絲繩隔振器，上層3只吊裝，下層3只垂向支承，錯位分布。

圖5 隔振器安裝圖

減振系統(tǒng)為無阻尼單自由度系統(tǒng)，其理論模型見圖6所示，采用一個質量、兩個彈簧并聯的模型，該系統(tǒng)固有角頻率計算公式為：

其中：k1=3 k，k2=3 k

k為單個隔振器彈簧剛度（N/cm）；

m為內盒體總質量（kg）。

鋼絲繩隔振器選用國標產品，其剛度系數可按公式：

式中：Δ為該型鋼絲繩隔振器剛度系數加權比例值；

G為切變模量（Pa）；

d為鋼絲繩直徑（cm）；

N為彈簧有效圈數；

D為彈簧中徑（cm）。

通過相關理論計算及實際試驗結論，該隔振系統(tǒng)峰值響應頻率在20 Hz左右。

2.3 吸聲設計

聲波入射到媒介分界面上時聲能的減少過程稱為吸聲。

為進一步提高干涉儀對外界環(huán)境的抗噪性能，在隔聲設計的基礎上進行吸聲設計。結合光纖補償干涉儀的插箱空間尺寸，吸聲設計的工程操作如下：

1）在內層結構內外表面粘貼阻燃聚氨酯聲學泡沫。

2）在內外層結構的空氣腔中填充防水超細玻璃棉。該類型玻璃棉具有防水、質輕、柔軟、安裝時不太刺激皮膚等優(yōu)點。適當增加超細棉的體密度，可以改善低頻吸聲性能。

圖6 減振系統(tǒng)理論模型

內層結構內部填充防水超細玻璃棉后的整體效果圖如圖7所示。

圖7 內層結構實物圖

外層結構填充防水超細玻璃棉后的整體效果圖如圖8所示。

圖8 光纖補償干涉儀整體實物圖

3 效果驗證

通過圖1所示的光路測試系統(tǒng)進行系統(tǒng)相位噪聲的測量。

測試采用新型補償干涉儀的系統(tǒng)相位噪聲，同時與采用舊結構補償干涉儀的系統(tǒng)相位噪聲進行比較，為圖9(a)所示的兩種情況下的趨勢圖。其中圖9(a)的曲線A為舊結構補償干涉儀的系統(tǒng)相位噪聲，具體數值見圖9（b），其中圖9(a)的曲線B為新結構補償干涉儀的系統(tǒng)相位噪聲，具體數值見圖9（c）。

圖9 系統(tǒng)噪聲

表1 新舊干涉儀下幾個頻點的噪聲值

原樣機舊補償干涉儀下測試的系統(tǒng)噪聲、新改進干涉儀下測試的系統(tǒng)噪聲譜線見圖9所示，表1為兩者在幾個頻點的噪聲值對比：

應用于某項目中，試驗發(fā)現采用新型結構補償光纖干涉儀后，整個系統(tǒng)的本底噪聲得到了降低，1 kHz位置降低了約16 dB，100 Hz位置降低了約15 dB，提高了系統(tǒng)的探測性能。

［1］孟克.光纖干涉測量技術［M］.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，2008.

［2］康玉成.建筑隔聲設計-空氣隔聲技術［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

［3］馬大猷.噪聲與振動控制工程手冊［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2002.

［4］GJB 6412-2008.艦船用鋼絲繩隔振器規(guī)范［S］.

［5］駱意.新型鋼絲繩隔振器設計及其特性研究［D］.重慶：重慶大學，2012.