徐宗贤、王力求、倪程辉、金梦群、张达、陈小军等来自杭州应用声学研究所的研究团队在《声学技术》（*Technical Acoustics*）2025年第44卷第3期发表了一项关于芯轴光纤水听器（mandrel fiber-optic hydrophone）加速度灵敏度的仿真研究。该研究聚焦于拖曳线列阵声呐（towed line array sonar）中光纤水听器的关键性能参数——加速度相移灵敏度（acceleration phase shift sensitivity），通过有限元法（FEM）结合弹光效应（strain-optic effect）理论，建立了动态频率响应的仿真方法，并分析了激励位置与支撑壳体材料参数对灵敏度的影响。

学术背景

光纤水听器因抗电磁干扰、无需湿端供电及可大规模复用等优势，成为海洋声学探测的核心设备。然而，拖曳过程中由缆线抖动、涡流等引起的振动噪声会通过加速度耦合干扰声信号检测。传统研究将加速度等效为静态载荷，无法反映频率依赖性，且忽略支撑结构的作用。本研究旨在填补这一空白，提出基于谐响应分析（harmonic analysis）的动态仿真方法，为优化设计提供理论指导。

研究流程

1. 模型构建

   • 对象：空气背衬芯轴型光纤水听器（结构如图1所示），包含支撑芯轴、增敏壳体、加强筋、空气腔及缠绕的传感光纤。
     
   • 方法：采用ANSYS软件建立二维轴对称模型，使用PLANE25单元（46,703个网格）精细化模拟光纤各层（纤芯、包层、涂覆层）的应变。材料参数如表1所示，其中光纤玻璃层与增敏壳体（聚氨酯）的力学差异被精确保留。
     

2. 动态响应仿真

   • 激励设置：轴向施加0–2,500 Hz、1 g加速度的简谐激励，通过直接频率响应法求解运动方程（式4–7）。
     
   • 数据处理：提取纤芯轴向应变（εz）与径向应变（εx、εy），代入弹光效应相位公式（式1、8–10）计算相移灵敏度级（式3）。
     

3. 参数分析

   • 激励位置：模拟中心对称至末端偏移（1/128至3/8总长）的灵敏度变化。
     
   • 支撑壳体：固定声压灵敏度下，分别调整弹性模量（50–250 GPa）、密度（2–10×10³ kg/m³）及壁厚（0.2–1.2 mm），评估其对加速度灵敏度的影响。
     

主要结果

1. 频率响应特性

   • 0–2,500 Hz范围内灵敏度平坦（约−58 dB），16,000 Hz附近因共振出现峰值（−32.5 dB）。
     
   • 图3显示1,000 Hz时光纤轴向应变分布：加强筋间应变最大（2.06×10⁻⁸），接触区域应变最小，验证支撑壳体对形变的抑制作用。
     

2. 激励位置影响

   • 图5表明，中心激励时灵敏度最低（−58 dB），偏移1/64总长即骤升至−20 dB，末端激励达最大值（50 dB）。这与Donnel-Mushtari理论（式11–14）预测的对称抵消效应一致。
     

3. 材料参数优化

   • 弹性模量每增加50 GPa，灵敏度降低约5 dB（图6）；密度每增加2×10³ kg/m³，灵敏度上升4 dB（图7）；壁厚增至1 mm可降低15 dB（图8）。
     

结论与价值

本研究首次将谐响应分析应用于光纤水听器加速度灵敏度仿真，揭示了激励位置偏移的敏感性及支撑壳体参数的调控机制。其科学价值在于完善了动态载荷下的理论模型，应用价值体现在为拖曳阵列设计提供了以下优化路径：
1. 对称安装：确保等效激励点接近水听器中心；
2. 材料选择：高弹性模量（如钛合金）、低密度、厚壁支撑壳体可显著降低加速度噪声。

研究亮点

1. 方法创新：突破静态载荷假设，建立频率相关的动态仿真框架；
   
2. 精细化建模：保留光纤多层结构，首次量化涂覆层力学贡献；
   
3. 工程指导性：明确支撑壳体参数与安装误差的定量影响，为实际布阵提供可操作标准。
   

其他发现

共振峰（16,000 Hz）的存在提示设计时需避开高频工作区间，后续可通过阻尼材料进一步抑制共振效应。此外，单臂膜片式干涉仪（图1）的设计减少了参考臂干扰，这一细节优化也被证明对降低加速度噪声具有潜在贡献。

（注：全文术语首次出现时均标注英文原词，如“弹光效应（strain-optic effect）”；图表引用按原文编号，如“图1”“表1”。）