这篇文档属于类型a，即报告了一项原创性研究的学术论文。以下是针对该研究的详细学术报告：
一、作者及发表信息
研究由孙晓园、光东、邓草原及通讯作者俞本立（安徽大学物理与光电工程学院）合作完成，发表于2025年5月的《光学 精密工程》（Optics and Precision Engineering）第33卷第10期。
二、学术背景
研究领域：深海声学传感技术，聚焦于光纤水听器（Fiber Optic Hydrophone）的灵敏度优化。
研究动机：
1. 深海探测需求：随着“海洋强国”战略推进，深海资源开发与安全防御需高灵敏度声学设备。传统压电水听器灵敏度较低（-194.5 dB re 1V/µPa），而光纤水听器因抗电磁干扰、高灵敏度等优势成为理想选择。
2. 技术瓶颈：现有光纤水听器在深海高静水压（如3000米，30 MPa）下，面临灵敏度下降与结构失稳问题，且低频信号（10 Hz~2 kHz）探测能力不足。
研究目标：设计一种基于推挽式结构（Push-Pull Mandrel Structure）的光纤水听器基元，提升其在深海环境中的声压灵敏度与稳定性。
三、研究流程与方法
1. 理论设计与仿真分析
- 推挽式结构设计：
- 水听器探头由内外弹性筒（航空铝7075）组成，中间形成空气腔以保护光学器件（如3×3耦合器、法拉第旋转镜）。
- 声压作用时，外筒受压收缩、内筒受拉扩张，通过Michelson干涉仪（Michelson Interferometer）测量两臂光纤长度差（δl），转化为相位差（φ(t)）以计算灵敏度（式1-3）。
- 有限元仿真：
- 使用COMSOL模拟弹性筒形变与声压灵敏度关系，优化结构参数（如外筒厚度1.6 mm、内筒厚度1.4 mm）。
- 耐压分析：依据GB/T 150.3-2024标准，通过加强圈设计提升外筒抗失稳能力（30 MPa下最大变形0.02 mm）。
2. 实验制备与测试
- 样品制备：
- 制作5组不同参数的水听器（表1），变量包括弹性筒厚度、加强圈有无、光纤线圈缠绕位置（均匀/中间/两端）及层数（1/2层）。
- 采用高精度绕线机控制光纤应力，聚氨酯透声胶封装以保证一致性。
- 测试方案：
- 高静水压灵敏度测试：基于GB/T 4130-2017标准，在高压腔中模拟3000米水深（30 MPa），以参考水听器为基准，测量10 Hz~2 kHz频段的灵敏度。
- 数据解调：通过椭圆拟合算法（式2）提取正交干涉信号（i₁, i₂），计算相位差与灵敏度（式3）。
四、主要结果
- 灵敏度提升：
- 优化后的水听器4（光纤缠绕于弹性筒中间、2层）在30 MPa下平均灵敏度达-127 dB re rad/µPa，较未优化组（-134 dB）提升7 dB。
- 低频段（10 Hz~200 Hz）灵敏度波动±3 dB，源于参考水听器信噪比限制（图7）。
- 耐压性能验证：
- 无加强圈的薄壁水听器1在24 MPa时失稳，而加强圈设计的样品（如3、4、5）在30 MPa下正常工作。
- 结构参数影响：
- 光纤缠绕位置对灵敏度影响显著：中间缠绕（最大形变区）比两端缠绕灵敏度高13 dB（水听器4 vs. 5）。
五、结论与价值
科学价值：
- 提出推挽式结构弹性筒形变与灵敏度关系的理论模型，为深海光纤传感器设计提供新思路。
- 验证加强圈和光纤缠绕工艺对耐压性与灵敏度的协同优化作用。
应用价值：
- 优化后的水听器可应用于深海资源勘探、水下目标探测等领域，满足高静水压（30 MPa）、宽频带（10 Hz~2 kHz）探测需求。
六、研究亮点
- 创新结构：推挽式设计通过内外筒反向形变提升灵敏度，同时抑制共模噪声（如温度漂移）。
- 工艺优化：首次系统研究光纤缠绕位置与层数对灵敏度的定量影响，提出中间双层缠绕的最佳工艺。
- 跨学科方法：结合弹性力学理论、有限元仿真与高压实验，形成完整的设计-仿真-验证链条。
七、其他要点
- 局限性：低频灵敏度受测试设备噪声限制，未来需改进参考水听器性能。
- 扩展方向：可进一步研究复合材料弹性筒以兼顾轻量化与耐压性。
此研究为深海光纤传感技术提供了可复制的优化方案，兼具理论深度与工程实践意义。