PA Tutorial - Hydrophones - Fibre optic hydrophones

Summary

In diesem Tutorial wird die Funktionsweise von faseroptischen Hydrofonen (FOH) erklärt. Diese Geräte empfangen Ultraschallsignale unter Wasser. Es gibt zwei Haupttypen von faseroptischen Sensoren: intrinsische und extrinsische. Der Fokus liegt auf extrinsischen Sensoren, insbesondere auf interferometrischen und Fresnel-Reflexionssensoren. FOHs bieten Vorteile wie geringe Größe, EMI-Immunität und hohe Empfindlichkeit. Interferometrische Sensoren haben eine höhere Empfindlichkeit, während Fresnel-Reflexionssensoren robuster und reparierbar sind. FOHs eignen sich besonders gut für Anwendungen in lauten oder hochdruckbelasteten Umgebungen und bieten oft eine kostengünstige Alternative zu piezoelektrischen Hydrofonen.

Takeaways

• 🌊 Hydrophone ist ein Gerät, das Ultraschallsignale unter Wasser empfängt.
• 🔦 Fiberoptische Hydrophone (FOH) werden in intrinsische und extrinsische Sensoren unterteilt.
• 🧱 Intrinsische Sensoren, wie Faser-Bragg-Gitter und interferometrische Sensoren, sind in die Faser eingebaut.
• 💡 Extrinsische Sensoren befinden sich an der Spitze oder dem Ende der optischen Faser und können interferometrisch oder reflexionsbasiert sein.
• 🔧 FOHs haben eine geringe Größe, wodurch sie kleine Streuquerschnitte und hohe Resonanzfrequenzen aufweisen.
• 🔌 FOHs sind unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Störungen (EMI), im Gegensatz zu piezoelektrischen Hydrofonen.
• 🌐 Interferometrische FOHs verwenden optische Interferometrie, um Druckänderungen durch Ultraschallwellen zu messen.
• 💥 Polymerabstandsschicht-Hydrofone haben eine höhere Empfindlichkeit, aber eine geringere maximale messbare Druckgrenze im Vergleich zu Hydrofonen mit harten dielektrischen Komponenten.
• 🔄 Reflexionsbasierte FOHs haben eine geringe Empfindlichkeit, sind jedoch nicht-lineare und können sehr hohe Drücke messen.
• 🛠️ Ein großer Vorteil von Reflexionshydrofonen ist ihre Reparierbarkeit durch den Benutzer im Falle von Beschädigungen.

Q & A

Was ist ein Hydrofon und wofür wird es verwendet?

Ein Hydrofon ist ein Gerät, das speziell entwickelt wurde, um Ultraschallsignale unter Wasser zu empfangen. Es wird häufig in Bereichen wie der Unterwasserakustik verwendet.

Was sind die beiden Hauptkategorien von faseroptischen Sensoren?

Faseroptische Sensoren fallen in zwei Hauptkategorien: intrinsische Sensoren, bei denen der Sensor in die Faser integriert ist, und extrinsische Sensoren, die sich am Ende der Faser befinden.

Warum werden intrinsische faseroptische Sensoren seltener in der Ultraschallmetrologie verwendet?

Intrinsische Sensoren liefern häufig ein Signal, das ein Linienintegral des akustischen Phänomens ist, was in der Ultraschallmetrologie weniger nützlich ist, da dort Punkt-zu-Punkt-Messungen bevorzugt werden.

Welche Vorteile bieten faseroptische Hydrofone in Bezug auf ihre Größe?

Faseroptische Hydrofone sind sehr klein, was bedeutet, dass sie eine geringe Streuquerschnittsfläche haben und ihre Resonanzen auf sehr hohe Frequenzen verschoben werden. Dadurch bieten sie eine geringe räumliche Mittelung und eine breite Direktivität.

Was ist der Vorteil von faseroptischen Hydrofonen gegenüber piezoelektrischen Hydrofonen in Bezug auf elektromagnetische Interferenzen (EMI)?

Faseroptische Hydrofone bestehen aus nicht leitfähigen Materialien, wodurch sie immun gegen elektromagnetische Interferenzen (EMI) sind. Dies ist besonders nützlich bei der Messung kontinuierlicher Ultraschallwellenfelder.

Wie funktioniert die optische Interferometrie bei faseroptischen Hydrofonen?

Bei der optischen Interferometrie wird Licht von einem teildurchlässigen Spiegel an der Spitze einer Faser reflektiert. Ein Teil des Lichts wird durch einen Abstandshalter geleitet und dann von einem vollen Spiegel reflektiert. Diese Mehrfachreflexionen führen zu einer Interferenz, die es ermöglicht, Ultraschallwellen zu messen.

Was sind die Unterschiede in der Empfindlichkeit zwischen Polymer- und harten Dielektrik-Interferometern?

Polymer-Abstandshalter bieten eine höhere Empfindlichkeit und einen niedrigeren äquivalenten Rauschdruck, haben jedoch einen geringeren maximal messbaren Druck. Harte Dielektrik-Abstandshalter haben einen größeren dynamischen Bereich, aber eine geringere Empfindlichkeit.

Welche Vorteile bieten reflektanzbasierte faseroptische Hydrofone?

Reflektanzbasierte faseroptische Hydrofone haben eine sehr geringe Empfindlichkeit, da die Druckänderungen im Wasser nur kleine Änderungen im Brechungsindex bewirken. Allerdings sind sie sehr widerstandsfähig gegenüber hohen Drücken und können leicht durch erneutes Abspalten repariert werden.

Wie reagieren faseroptische Hydrofone auf Kavitation, und welche Hydrofone lassen sich nach Schäden reparieren?

Interferometrische Hydrofone sind empfindlicher gegenüber Schäden durch Kavitation und können nicht vom Benutzer repariert werden. Reflektanzbasierte Hydrofone hingegen können nach Schäden durch Abspalten repariert werden.

Können faseroptische Hydrofone auch thermische Veränderungen messen?

Ja, faseroptische Hydrofone, insbesondere solche mit Polymer-Abstandshaltern, können thermische Veränderungen messen. Da thermische Ereignisse langsamer als Ultraschallerreignisse sind, kann das Hydrofon zwischen thermischen und ultraschallinduzierten Ereignissen unterscheiden.