国防科技大学团队提出基于声学共振隔离的高频干涉式光纤水听器

作者及发表信息
该研究由国防科技大学气象海洋学院的Lou Kang、Peng Cheng-yan、Zou Yong-chao、Wang Jun、Lu Yang、Xu Pang及通讯作者Hu Zheng-liang（邮箱：zheng_liang_hu@163.com）合作完成，发表于2021年SPIE（国际光学工程学会）会议论文集，会议名称为”Seventh Symposium on Novel Photoelectronic Detection Technology and Applications”，论文DOI编号为10.¹¹¹⁷⁄₁₂.2587157。

学术背景
研究领域为水下声学传感技术，聚焦于光纤水听器（Optical Fiber Hydrophone, OFH）的高频性能优化。传统干涉式OFH因采用空心圆柱结构的芯轴增敏设计，在特定高频声场中易发生结构共振与声学共振，导致工作带宽受限（通常仅2-3kHz）。随着高分辨率声学成像与水声通信（工作频率达数十kHz）的需求增长，亟需兼具高灵敏度与宽带宽的传感器。本研究旨在通过声学共振隔离技术，将OFH工作带宽从10kHz扩展至30kHz以上。

研究流程与方法
1. 问题建模与分析
- 研究对象：传统双臂干涉式OFH的骨架结构（内壳直径9mm、外壳直径12mm、长度38mm）。
- 方法：采用COMSOL Multiphysics 5.5多物理场仿真软件，建立声-结构耦合模型。通过压力声学接口（求解Helmholtz方程）模拟水中声传播，结构力学接口（广义胡克定律）分析固体声传输，并设置完美匹配层（PML）消除边界反射。
- 关键发现：频率响应显示12-13kHz处存在灵敏度峰值（图3），证实内壳声学共振是带宽限制主因。内壳点A声压与灵敏度呈正相关，而外壳点B声压保持恒定（1Pa）。

1. 结构优化设计

   • 创新方案：在内壳中引入隔离气室（图4），通过三块挡板分隔形成两个空气腔。利用水-空气界面阻抗失配特性，使声波在界面全反射，阻断声学共振。
     
   • 仿真验证：优化后OFH的内壳声压接近零（图5），灵敏度峰值消失，带宽扩展至30kHz，但整体灵敏度下降约6dB（因内壳不再感知声压）。高频段外壳点B声压波动源于声波散射效应。
     

2. 湖试实验验证

   • 实验设置：在15m水深湖泊中，对比测试带/不带气室的OFH（参数与仿真一致），以标准压电水听器（SRH）为参考，采用脉冲信号激励。
     
   • 结果：无气室OFH在15kHz出现灵敏度峰值，而有气室OFH响应平坦，带宽超30kHz（图7），与仿真结论一致。
     

主要结论与价值
1. 科学价值：首次通过气室隔离技术解决了OFH内壳声学共振问题，揭示了声-结构耦合对带宽的影响机制。
2. 应用价值：为高分辨率声呐和水声通信系统提供了关键传感器，实测灵敏度-147dB，带宽提升3倍。
3. 权衡建议：需根据实际需求平衡带宽与灵敏度（牺牲6dB灵敏度换取带宽扩展）。

研究亮点
- 方法创新：提出气室隔离声学共振的设计思想，突破传统OFH频率限制。
- 技术整合：结合多物理场仿真与湖试验证，形成完整技术闭环。
- 工程意义：优化后的OFH结构简单，易于实现规模化应用。

其他价值
研究获国家自然科学基金（61904204）支持，参考文献涵盖中国水下换能器发展（[1]）、光纤水听器原理（[2]）及水声通信综述（[3]），为技术演进提供了完整脉络。