Исследование способов совершенствования точностных характеристик волоконнооптической гидроакустической буксируемой косы для морских геофизических исследований тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.07, кандидат наук Власов Александр Андреевич

• Власов Александр Андреевич
• кандидат наук
• 2020

Оглавление диссертации кандидат наук Власов Александр Андреевич

РЕФЕРАТ

SYNOPSIS

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Литературный обзор

1.1 Вступительная часть

1.2 Волоконно-оптические измерительные системы

1.3 Волоконно-оптические интерферометры

1.4 Волоконно-оптическая гидроакустическая буксируемая коса

1.5 Источники шумов ВОИС

1.6 Акустические воздействия и их источники

1.7 Классификация способов снижения чувствительности ОВ к акустическим воздействиям

1.8 Специфические шумовые факторы при буксировке сейсмических кос

1.9 Постановка задач диссертационного исследования

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 2. Измерительная установка и методика измерений

2.1 Вступительная часть

2.2 Исследование параметров источника акустического воздействия

2.3 Расчет параметров и изготовление экспериментальной установки

2.4 Устранение влияния параметров электроакустического тракта и помещения

2.5 Методика оценки эффективности способов снижения акустической чувствительности ВО компонентов

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ГЛАВА 3. Снижение акустической чувствительности компонентов ВОИС

3.1 Вступительная часть

3.2 Влияние параметров внешнего корпуса на чувствительность ВОИ

3.3 Математическое моделирование параметров защитного корпуса

3.4 Экспериментальная оценка степени акустической герметизации корпуса

3.5 Разработка и исследование виброзащитной подвесной системы

3.6 Исследование влияния параметров защитных покрытий ОВ на акустическую чувствительность

3.7 Разработка и исследование оптической схемы компенсации внешних акустических воздействий

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

Глава 4. Натурные испытания ВО буксируемой морской сейсмической косы

4.1 Вступительная часть

4.2 Программа и методика испытаний

4.3 Основные результаты испытаний

4.3.1 Исследование уровней собственных шумов и шумов при буксировке ВО косы

4.3.2 Исследование влияния метода крепления ВО косы при буксировке на параметры её выходного сигнала

4.3.3 Исследование работы предложенной оптической схемы компенсации внешних воздействий при работе в реальных условиях

ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ (References)

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ (Acronyms and Abbreviations)

ПРИЛОЖЕНИЕ А. СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА (List of publications)

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Внедрение и апробация результатов работы (Implementation and approbation of results)

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Основные публикации (Main publications)

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование способов совершенствования точностных характеристик волоконнооптической гидроакустической буксируемой косы для морских геофизических исследований»

РЕФЕРАТ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы исследования

По мере распространения технического прогресса на все сферы

человеческой жизни все более острой становилась потребность в измерительных системах, обладающих высокими точностными и эксплуатационными параметрами. Разработка измерительных систем была направлена на создание комплексов, позволяющих быстро и точно измерять необходимые физические величины, их временные и частотные характеристики, что позволяет контролировать и автоматизировать процессы на производстве. По мере совершенствования приборостроительных технологий проводился поиск путей повышения точности и эксплуатационных параметров чувствительных элементов (ЧЭ) и измерительных систем на их основе. В настоящее время в ряде областей науки и техники волоконно-оптические измерительные системы (ВОИС) являются наиболее перспективными с точки зрения точности производимых измерений, а также малых массогабаритных параметров. Ввиду таких преимуществ, как отсутствие механических узлов и токопроводящих цепей в ЧЭ, нечувствительность к электромагнитным помехам и возможность построения измерительных массивов из большого количества датчиков на одном оптическом волокне (ОВ), привели к широкому распространению таких систем.

На сегодняшний день наибольший интерес представляют ВОИС на с волоконно-оптическими фазовыми датчиками (ВОФД) в качестве ЧЭ по причине их высокой чувствительности. Их принцип работы основан на интерференции опорного и измерительного оптических сигналов, разность фаз между которыми определяет интенсивность интерференционного сигнала на фотоприемном устройстве (ФПУ).

Один из недостатков таких систем состоит в том, что ввиду общей среды распространения оптического излучения опорный и измерительный

каналы обладают сопоставимой чувствительностью к акустическим воздействиям. Конструктивно составные части опорного и измерительного каналов могут быть размещены совместно, однако чаще всего, особенно при наличии большого числа чувствительных элементов, они разнесены в пространстве. При работе ВОИС на основе ВОФД в реальных условиях неизбежными являются акустические воздействия окружающей среды на опорную часть интерферометрической схемы. Ввиду пространственного разнесения измерительной и опорной части системы акустические воздействия окружающей среды на них некоррелированны. Таким образом, результирующий интерференционный импульс содержит в себе информацию как о воздействии измеряемой величины на измерительную часть, так и о воздействии на опорную часть, причем в общем случае возможность разделения информации о данных воздействиях отсутствует, что приводит к снижению точностных параметров ВОИС в части минимально обнаружимого значения измеряемой величины и отношения сигнал-шум.

Все вышесказанное делает тему данной работы актуальной в свете большого числа современных практических применений в прецизионном волоконно-оптическом (ВО) приборостроении. В частности, результаты данной работы нашли практическое применение при разработке ВО буксируемой морской косы для сейсморазведочных работ в Научно-исследовательском центре Световодной фотоники Университета ИТМО (проект № 03.G25.31.0245 «Создание импортозамещающего производства волоконно-оптических морских сейсмических буксируемых кос, предназначенных для геофизических исследований, поиска и разведки месторождений углеводородов»).

Цель настоящей работы - совершенствование точностных и эксплуатационных параметров ВО гидроакустической буксируемой косы за счет повышения степени защиты компонентов ее бортовой части от помеховых акустических воздействий.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) Выполнить обзор литературы по тематике интерференционных измерений, источникам шумов в оптических схемах и способам устранения влияния акустических воздействий на результат их работы;

2) провести разработку измерительной установки и методики измерения эффективности способов снижения влияния внешних акустических воздействий на результат интерференционных измерений;

3) провести разработку и исследование эффективности различных способов снижения влияния внешних акустических воздействий (применение внешних корпусов с акустической подготовкой, применение защитных подвесных систем, применение защитных покрытий ОВ, применение оптических схем с компенсацией акустического воздействия) на результат интерференционных измерений;

4) провести разработку и исследования оптимальных конфигураций способов по снижению влияния внешних акустических воздействий на результат интерференционных измерений, готовых к широкому использованию в промышленной деятельности приборостроительных предприятий;

5) провести исследование влияния применения разработанных способов на параметры ВО буксируемой косы в натурных условиях.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней:

1) Предложен способ и оригинальная оптическая схема для компенсации внешних воздействий на волоконно-оптический интерферометр (ВОИ), основанные на вычитании из выходного фазового сигнала интерферометра отдельно регистрируемого фазового сигнала, обусловленного внешними воздействиями на него с применением поляризационного мультиплексирования для разделения оптических сигналов, обеспечивающая снижение внешнего акустического воздействия более -21 дБ при амплитуде фазового сигнала внешнего воздействия около 5

радиан и среднеквадратичным значением собственных шумов измерительной системы порядка 0,02 радиан;

2) создана математическая модель, позволяющая осуществлять расчет снижения уровня звукового давления внутри защитного акустически подготовленного корпуса ВОИ в зависимости от его структуры, геометрических размеров и параметров применяемых конструкционных, звукопоглощающих и вибропоглощающих материалов;

3) впервые экспериментально получены зависимости снижения акустической фазовой чувствительности ОВ за счет применения защитных покрытий с различным составом, в том числе, и обладающих высокой степенью совместимости с технологиями, применяемыми при производстве волоконно-оптических кабелей (оптические кабели с тросовым бронированием световедущих жил, оптические кабели с арамидными нитями и другие), что потенциально может обеспечить возможность широкого промышленного внедрения.

Практическое значение работы состоит в следующем:

1) Разработанный комплекс способов снижения акустической чувствительности, включающий в себя акустическую подготовку корпуса ВОИ, применение разработанной виброзащитной подвесной системы для защиты от структурных волн и защитного покрытия ОВ в виде оптического кабеля с тросовым бронированием применен на практике в составе ВО буксируемой косы для геологоразведочных работ, что потенциально способно обеспечить снижение акустической чувствительности защищаемого интерферометра на величину от -25 до -35 дБ в диапазоне частот от 20 Гц до 5 кГц с соответствующим увеличением отношения сигнал-шум в его выходном сигнале при работе в условиях наличия внешних акустических воздействий;

2) разработанная математическая модель позволяют оценить чувствительность компонентов ВОИС к акустическим воздействиям окружающей среды в зависимости от материала и толщины стенок внешнего

корпуса, конфигурации покрытий его внутреннего объема, что позволяет осуществлять проектирование и разработку акустически подготовленных корпусов с высоким уровнем снижения внешнего акустического давления;

3) созданная экспериментальная установка для исследования акустической чувствительности ВО компонентов в диапазоне частот от 20 Гц до 5 кГц с линеаризацией АЧХ в точке измерения позволяет осуществлять имитацию акустических воздействий различных факторов техногенного и антропогенного характера, возникающих при эксплуатации измерительных систем в реальных условиях без необходимости акустической подготовки помещения;

4) предложенный способ экспериментальной оценки степени акустической герметизации защитного корпуса устройства на основе временного мониторинга уровня давления внутри корпуса при накачке и разрыве разрушаемого эластичного резервуара могут быть использованы при решении задач проектирования и испытания акустически подготовленных защитных корпусов чувствительных компонентов в прецизионном волоконно-оптическом приборостроении, а также различных отраслях науки и техники;

5) полученная в ходе исследования экспериментальная зависимость действующей на буксируемое тело растягивающей нагрузки от скорости его буксировки позволяет осуществлять расчет параметров буксируемых кос, эластичных секций и режимов буксировки при планировании и подготовке к испытаниям в натурных условиях.

Научные положения, выносимые на защиту:

1) Созданная оригинальная оптическая схема компенсации внешних акустических воздействий на волоконно-оптический интерферометр, принцип действия которой состоит в опросе опорного плеча волоконно-оптического интерферометра в качестве датчика виброакустического воздействия на него, осуществляющегося с применением поляризационного

мультиплексирования, позволяет достичь снижения уровня помехового сигнала внешних акустических воздействий на интерферометр более -21 дБ.

2) Комплексное применение предложенных методов акустической подготовки корпусов, созданной виброзащитной подвесной системы и специальных покрытий оптического волокна в составе оптических кабелей с тросовым бронированием позволяет достичь среднего уровня собственных шумов буксируемой волоконно-оптической сейсмической косы для геофизических исследований, оптическая схема которой построена по принципам PMDI-интерферометрии, менее 4 мПа/Гц05 при внешнем виброакустическом воздействии на ее бортовую часть в диапазоне частот от 20 Гц до 2 кГц, что ниже среднего уровня собственных шумов аналогичной серийной пьезоэлектрической косы ультравысокого разрешения на величину более 13 дБ.

3) Предложенная математическая модель на основе адаптированных модели статической акустической фазовой чувствительности оптического волокна и модели снижения уровня звукового давления плоской тонкой ограждающей конструкцией позволяет осуществлять расчет величины снижения уровня звукового давления внешних акустических воздействий на волоконно-оптический интерферометр при применении акустически подготовленного корпуса в зависимости от его геометрических размеров, структуры и коэффициентов звукопоглощения и механических потерь применяемых конструкционных, звукопоглощающих и вибропоглощающих материалов, а также степени его акустической герметизации, при соответствии результатов работы модели и экспериментальных данных 0,908 по линейному коэффициенту корреляции.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены и обсуждаемы на следующих конференциях: 1) VI и VII Всероссийские Конгрессы Молодых Ученых (за данные доклады получены дипломы за лучший научно-исследовательский доклад аспиранта);

2) XI и XII Всероссийские форумы студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и инновации в технических университетах» (за данные доклады получены дипломы за лучший доклад на сессионном заседании);

3) XL VI, XL VII, XL VIII, XLIX научные и учебно-методические конференции Университета ИТМО;

4) VII Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Защита от повышенного шума и вибрации» (за данный доклад получен диплом III степени в номинации молодых специалистов «Юный акустик»);

5) XI Международная конференция «Фундаментальные проблемы оптики» («ФПО - 2019»);

6) International Youth Conference on Electronics, Telecommunications and Information Technologies (YETI-2019);

7) IEEE EExPolytech-2019: Electrical Engineering and Photonics;

8) Third Conference on Optical reflectometry, metrology & sensing 2020;

9) Круглый стол по направлению "Естественные и точные науки" для победителей конкурса грантов для студентов вузов, расположенных на территории Санкт-Петербурга, аспирантов вузов, отраслевых и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга (2018-2019 гг.);

Кроме того, результаты данной работы были поддержаны в рамках следующих научно-технических конкурсов:

1) XXII Конкурс бизнес-идей, научно-технических разработок и научно-исследовательских проектов под девизом «Молодые, дерзкие, перспективные» - выход и победа в финале в 2019 г.;

2) Конкурсы грантов для студентов вузов, расположенных на территории Санкт-Петербурга, аспирантов вузов, отраслевых и академических институтов, расположенных на территории Санкт-Петербурга - одержана победа в 2018 и 2019 гг.;

3) IV Всероссийский конкурс научно-исследовательских работ студентов и аспирантов ВУЗов и научных академических институтов России по естественным, техническим и гуманитарным наукам «Шаг в науку» -одержана победа в заочном туре 2018 г. и очном туре 2019 г.;

Публикации. По теме диссертации выполнена публикация 21 печатной работы, из которых 12 публикаций в изданиях, рецензируемых Web of Science или Scopus, 3 публикации в журналах из перечня Высшей Аттестационной Комиссии (ВАК), 6 в иных изданиях; кроме того, поданы две заявки на результаты интеллектуальной деятельности.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложена на 169 страницах машинописного текста, содержит 80 рисунков и 11 таблиц, список цитированной литературы представлен 135 источниками. Материалы диссертации представлены в хронологическом порядке выполнения научно-исследовательской работы.

Достоверность научных результатов подтверждается соответствием данных из литературного обзора, теоретических расчетов и экспериментальных данных, представленных в работе. Математическое моделирование и обработка данных осуществлялись с использованием математического пакета MatLab. Результаты моделирования были подтверждены результаты обработки экспериментальных данных. Основные результаты обсуждены на научных конференциях и опубликованы в рецензируемых научных журналах.

Личный вклад автора. В диссертационном исследовании представлены только те результаты, в получении которых автор играл определяющую роль. Печатные работы подготовлены в соавторстве с членами научно-исследовательской группы, при работе в составе которой диссертант принимал участие в моделировании, расчётах, в создании экспериментальных установок, проведении экспериментов и интерпретации результатов.

Диссертационная работа соответствует требованиям Университета ИТМО и паспорту специальности ВАК 05.11.07 - «Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы» в части разработки, совершенствования и исследования характеристик приборов, систем и комплексов с использованием электромагнитного излучения оптического диапазона волн, предназначенных для решения задач измерения геометрических и физических величин, исследования и контроля параметров различных сред и объектов, в том числе при решении технологических, экологических и биологических задач и создания оптического и оптико-электронного оборудования для научных исследований в различных областях науки и техники (геофизические исследования).

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации,

сформулированы цель и задачи работы, представлена научная новизна работы, а также определена практическая значимость полученных результатов и приведены научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе представлен обзор литературы. Рассмотрена проблематика интерферометрических измерений: основные схемы ВОИ и источники шума в них, способы снижения акустической чувствительности, применяемые в ВО приборостроении и других отраслях науки и техники.

Рассмотрена конструкция участвующей в данном исследовании волоконно-оптической гидроакустической буксируемой косы, оптическая схема которой построена по принципу разностной интерферометрии с согласованными траекториями (PMDI - path matched differential interferometry) (рис. 1). В составе бортовой части косы присутствует компенсационный интерферометр (КИ), который также обладает чувствительностью к внешним акустическим воздействиям, в результате чего в выходном фазовом сигнале появляется обусловленная ими компонента. Данное обстоятельство способно снизить точностные параметры косы в части минимально обнаружимого воздействия и отношения сигнал-шум.

Таким образом, для обеспечения возможности работы ВО косы в реальных условиях необходимо выполнить поиск и экспериментальное исследование эффективности способов защиты ВО КИ от внешних помеховых воздействий акустического диапазона, которые могли бы быть применены на разных стадиях жизненного цикла ВОИС - от проектирования новых до модернизации существующих.

Кроме того, кратко рассмотрены источники акустического воздействия, его влияние на результаты интерференционных измерений. Кроме того, затронута проблематика проведения акустических измерений в условиях закрытых помещений. Выполнен обзор способов снижения акустической чувствительности, применяемых в ВО приборостроении и других областях науки и техники. Проведена классификация данных способов и введено их ранжирование по признаку сложности их промышленного внедрения -способы 1 ранга могут быть применены лишь при разработке и проектировании новых ВОИС, в то время как способы 5 ранга могут быть применены на любой стадии жизненного цикла ВОИС. По итогам обзора литературы сформулированы цели и задачи диссертационной работы.

БОРТОВАЯ ЧАСТЬ

т

ЗАБОРТНАЯ(КАБЕЛЬНАЯ)ЧАСТЬ

З о о о

З

о о о о

З

З о о о

З

Любое виброакустическое воздействие окружающей среды на компенсационный интерферометр (КИ) может привести к нежелательным помехам в сигналах датчиков, и точностные характеристики измерительной системы будут ухудшаться.

1

Рисунок 1 - Оптическая схема ВО гидроакустической косы, построенной по принципу

РМБ1-интерферометрии Вторая глава посвящена разработке и исследованию

экспериментальной установки, позволяющей осуществлять исследования

З

эффективности разрабатываемых в ходе работы способов снижения акустической чувствительности ВО компонентов в широком диапазоне частот и амплитуд акустического воздействия для имитации различных факторов техногенного и антропогенного характера, возникающих при эксплуатации ВОИС в реальных условиях.

Как следует из данных литературного обзора, ввиду сложного характера распространения акустических волн внутри помещений конечных размеров, акустические измерения, как правило, проводятся в акустически подготовленных помещениях - безэховых камерах, проектирование и создание которых являются достаточно дорогостоящей и сложной технической задачей. При этом разработка способов снижения акустической чувствительности компонентов ВОИС невозможна без экспериментальной проверки их эффективности в широком диапазоне частот и амплитуд акустического воздействия для имитации различных факторов техногенного и антропогенного характера, возникающих при эксплуатации ВОИС в реальных условиях.

Для осуществления данной разработки необходимо комплексное рассмотрение вопросов, связанных с источником акустических колебаний, влиянием акустического оформления и помещения на амплитудные и частотные характеристики испытательного акустического сигнала в точке измерения, а также поиск способов коррекции данного влияния для линеаризации указанных характеристик.

Амплитудные и спектральные свойства акустического сигнала зависят в том числе и от типа и параметров акустического оформления источника акустических колебаний. Для осуществления выбора типа акустического оформления и расчета его параметров было проведено исследование параметров Тиля-Смолла динамического преобразователя, применяемого в разрабатываемой установке в качестве источника акустического сигнала. На основе данных параметров был осуществлен расчет оптимальной площади акустического оформления динамического преобразователя типа «открытый

экран», после чего был изготовлен прототип данной установки, структурная схема которого представлена на рис. 2.

Рисунок 2 - Структурная схема экспериментальной установки для акустических исследований

компонентов ВОИС: 1 - персональный компьютер с разработанным управляющим программным

обеспечением, 2 - двухканальный блок ЦАП/АЦП, 3 - усилитель, 4 -динамический преобразователь, 5 -вольтметр переменного тока, 6 -акустическое оформление

громкоговорителя типа «открытый /у^/уу экран», 7 - акустическое воздействие, 8 - измерительный микрофон, 9 -сетчатая платформа для размещения исследуемых образцов, 10 -эластичные растяжки, 11 - опоры эластичных растяжек, 12 -вибродемпфирующие прокладки, 13 -исследуемый образец, 14 - блок демодуляции фазовых сигналов Было изучено влияние параметров электроакустического тракта и

помещения акустической лаборатории на амплитудные и спектральные

свойства акустического сигнала в точке измерения и разработан способ

линеаризации его амплитудно-частотной характеристики на основе внесения

предыскажений, являющихся обратной функцией от результирующей АЧХ

электроакустического тракта и параметров помещения. Результат данного

исследования представлен на рис. 3.

Таким образом, в ходе работы над второй главой была создана

экспериментальная установка, позволяющая производить акустические

измерения без необходимочти акустической подготовки помещения. Данная

установка применяется для имитации акустических воздействий

окружающей среды техногенного и антропогенного характера в диапазоне

частот от 20 Гц до 5 кГц при проведении экспериментальной проверки

эффективности способов снижения чувствительности компонентов ВОИС к внешним акустическим воздействиям.

Зависимость АЧХ акустического сигнала от акустического оформления

5 й к о

§ о Р

та о Г)

§-20

2000 2500 3000 Частота, Гц Спектр по данным с АЦП

(и

и

о-40

111111111

/ 1 —Спектр линеаризованного акустического испытательного сигнала —Исходный спектр акустического испытательного сигнала |

0

500

1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 Частота, Гц

Рисунок 3 - Вверху - исследование зависимости спектра акустического испытательного сигнала от применяемого оформления динамического преобразователя; внизу -результат работы предложенного способа компенсации влияния характеристик помещения на результат акустических измерений

Под эффективностью данных способов подразумевается изменение

уровня фазового сигнала при опросе ВО компонента в результате

применения того или иного способа защиты по сравнению с исходным

уровнем фазового сигнала под воздействием одного и того же

испытательного акустического сигнала:

При представлении данных сигналов в частотной области становится

возможным получить зависимости эффективности того или иного способа от

частоты акустического воздействия, что представляет огромный интерес при

проектировании прецизионных ВОИС для работы в реальных условиях.

Третья глава посвящена разработке и экспериментальному

исследованию эффективности способов снижения акустической

чувствительности компонентов ВОИС.

В рамках данной работы были исследованы такие способы снижения

акустической чувствительности, как разработка и применение оптической

схемы, позволяющей осуществлять компенсацию внешнего акустического воздействия, применение защитных покрытий ОВ, разработка и применение акустически подготовленного корпуса, разработка и применение защитной подвесной системы.

Способом, соответствующим 1 рангу в классификации способов снижения чувствительности к акустическим воздействиям, применение разработанной оригинальной оптической схемы, позволяющей выполнить опрос КИ в качестве датчика виброакустического воздействия и выделить отдельный интерференционный сигнал, содержащий в себе информацию о виброакустическом воздействии на опорный канал ВОИС (рис. 4). Это достигается введением в состав оптической схемы дополнительных источника (ИИ2) и приемника (ФПУ) оптического излучения и применения принципа поляризационного мультиплексирования оптических сигналов. Зарегистрированный фазовый сигнал виброакустического воздействия на КИ после демодуляции вычитается из демодулированных фазовых сигналов от чувствительных элементов измерительного массива.

Для обеспечения возможности образования интерференционного сигнала длина когерентности излучения ИИ2 должна быть больше пройденного им оптического пути в прямом и обратном направлении вдоль плеч компенсационного интерферометра, то есть, удовлетворять условию:

1соН » 21 (1) где - длина когерентности излучения (м), - длина оптического пути вдоль плеч компенсационного интерферометра (м).

Это же условие может быть выражено через ширину спектральной линии ИИ2:

А/ « £ (2)

где А/ - ширина спектральной линии ИИ (Гц), ст - скорость света в среде распространения ( , м/с).

Экспериментальная проверка эффективности применения разработанной оптической схемы компенсации виброакустического воздействия на опорный канал ВОИС была проведена путем импульсного воздействия на опорный канал с одновременным детектированием интерференционных сигналов на фотоприемных устройствах ФПУ1 и ФПУ2, последующей демодуляцией и нахождением разностного сигнала. Результаты данной проверки представлены на рис. 5. Эффективность компенсации внешних воздействий предлагаемой оптической схемой составляет более -21 дБ при фазовом сигнале около 5 радиан.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Власов Александр Андреевич, 2020 год

ЛИТЕРАТУРА

1. Kersey A.D., Dandridge A., Davis A.R., et al. 64-element time-division multiplexed interferometric sensor array with EDFA telemetry // Optical Fiber Commun. Conf. 1996. OSA.

2. Cranch G.A., Kirkendall C.K., Daley K., et al. Large-scale remotely pumped and interrogated fiber-optic interferometric sensor array // IEEE Photonics Technol. Lett. 2003. V. 15. № 11. P. 1579-1581.

3. Liao Y., Austin E., Nash P.J., et al. Highly scalable amplified hybrid TDM/DWDM array architecture for interferometric fiber-optic sensor systems // J. Lightwave Technol. 2013. V. 31. № 6. P. 882-888.

4. Cusano A., Cutolo A., Albert J. Fiber Bragg grating sensors: Recent advancements, industrial applications and market exploitation. Sharjah: Bentham Science Publishers, 2011.

5. Udd E., Spillman JrW.B. Fiber optic sensors: an introduction for engineers and scientists. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, 2011. 575 p.

6. Cole J.H., Kirkendall C., Dandridge A, et al. Twenty-five years of interferometric fiber optic acoustic sensors at the Naval Research Laboratory // J. Washington Academy of Sci. 2004. P. 40-57

7. Kirkendall C.K., Dandridge A. Overview of high performance fibre-optic sensing // J. Phys. D: Appl. Phys. 2004. V. 37. № 18. P. R197.

8. Pallayil V. Ceramic and fibre optic hydrophone as sensors for lightweight arrays — A comparative study // OCEANS 2017-Anchorage. 2017. P. 1-13.

9. Lefevre H. C. The fiber-optic gyroscope. London: Artech house, 2014. 489 p.

10. Smolovik M.A., Pogorelaya D.A., Vlasov A.A., et al. The study of mechanical resonances of the phase electro-optic modulator based on LiNbO3 for noise reduction of fiber-optic gyroscope // J. Phys.: Conf. Ser. V. 1124. № 6. P. 061002.

11. Vostrikov E, Kikilich N, Zalesskaya Y., et al. Stabilisation of central wavelength of erbium-doped fibre source as part of high-accuracy FOG // IET Optoelectronics. 2020.

12. Aleinik A.S., Deineka I.G., Smolovik M.A., et al. Compensation of excess RIN in fiber-optic gyro // Gyros-copy and Navigation. 2016. V. 7. № 3. P. 214-222.

13. Богоявленский В.И. Перспективы и проблемы освоения месторождений нефти и газа шельфа Арктики // Бурение и нефть. 2012. № 11. С. 4-9.

14. Лаверов Н.П., Рослов Ю.В., Лобковский Л.И. и др. Перспективы донной сейсморазведки в Российской Федерации // Арктика: экология и экономика. 2011. № 4. С. 4-13.

15. Лысак С.В. Стратегия повышения конкурентоспособности российских предприятий морской сейсморазведки на мировом рынке // Автореф. канд. дис. СПб: Горный университет, 2014. 28 c.

16. Souto F. Fibre optic towed array: The high tech compact solution for naval warfare // Proc. Acoustics. 2013. V. 2013. P. 17-20.

17. Maas S.J., Buchan I. Fiber optic 4C seabed cable for permanent reservoir monitoring // 2007 Symp. Underwater Technol. and Workshop on Scientific Use of Submarine Cables and Related Technol. 2007. P. 411-414.

18. Beverini N., Firpi S, Guerrini P., et al. Fiber laser hydrophone for underwater acoustic surveillance and marine mammals monitoring // LAT 2010: Internat. Conf. Lasers, Applications, and Technol. 2011. V. 7994. P. 79941D.

19. Plotnikov MY., Lavrov V.S., Dmitraschenko P.Y., et al. Thin cable fiber-optic hydrophone array for passive acoustic surveillance applications // IEEE Sensors J. 2019. V. 19. № 9. С. 3376-3382.

20. Vlasov A.A., Aleynik A.S., Plotnikov M.Yu., et al. Methods of mechanical noise impact suppression during streamer towing process using fiber Bragg gratings // Scientific and Technical J. Inform. Technologies, Mechanics and Optics. 2019. V. 19. № 4 P. 574-585.

21. Vlasov A.A., Plotnikov M.Yu., Lavrov V.S., et al. The research bracing method influence of a fiber-optical seismic streamer while towing on the parameters of its output signal // Instruments and Experimental Techniques. 2020. №. 4.

22. McMahon G.W., Cielo P.G. Fiber optic hydrophone sensitivity for different sensor configurations // Appl. Opt. 1979. V. 18. № 22. P. 3720-3722.

23. Vlasov A.A., Aleynik A.S., Shuklin P.A., et al. Ultrasound detection by applying fiber Bragg gratings // Scientific and Technical J. Inform. Technologies, Mechanics and Optics. 2019. V. 19 № 5. P. 809-817.

24. Volkov A.V., Plotnikov MY., Mekhrengin M.V., et al. Phase modulation depth evaluation and correction technique for the PGC demodulation scheme in fiber-optic interferometric sensors // IEEE Sensors J. 2017. V. 17. № 13. P. 4143-4150.

25. Varlamov A.V., Plotnikov M.Y., Aleinik A.S., et al. Acoustic vibrations in integrated electro-optic modulators on substrates of lithium niobite // Technical Phys. Lett. 2017. V. 43. № 11. P. 994-997.

26. Varlamov A.V., Kulikov A.V., Strigalev V.E., et al. Determination of optical losses at fibers joining with different modefield diameter // Scientific and Technical J. Inform. Technol., Mechanics and Optics. 2013. V. 13. № 2. P. 23-26.

27. Plotnikov M.J., Kulikov A.V., Strigalev V.E., et al. Dynamic range analysis of the phase generated carrier demodulation technique // Advances in Optical Technol. 2014. V. 2014.

28. Hocker G.B. Fiber-optic sensing of pressure and temperature // Appl. Opt. 1979. V. 18. № 9. P. 1445-1448.

29. Vlasov A.A., Varlamov A.V., Ashirov A.N., et al. The research of the influence of acoustic sealing degree of acoustically conditioned sound protective cases of fiber optic interferometers on their characteristics // Instruments and Experimental Techniques. 2020. № 4.

30. Vlasov A.A., Plotnikov MYu., Ashirov A.N., et al. The experimental setup for acoustic research of the components of fiber-optic measuring systems // Instruments and Experimental Techniques. 2020. №. 4.

31. Smith S. Digital signal processing: A practical guide for engineers and scientists. Elsevier, 2013. 672 p.

32. Lagakos N., Bus I.J., Col J.H., et al. Acoustic desensitization of single-mode fibers utilizing nickel coating. // Opt. Lett. 1982. V. 7. V. 9. P. 460-462.

33. Yang Y.C., Lee H.L., Chou H.M. Elasto-optics in double-coated optical fibers induced by axial strain and hydrostatic pressure // Appl. Opt. 2002. V. 41. № 10. P. 1989-1994.

34. Lagakos N, Hickman T.R., Col J.H., et al. Optical fibers with reduced pressure sensitivity // Opt. Lett. 1981. V. 6. № 9. P. 443-445.

35. Vlasov A.A., Aleinik A.S., Ashirov A.N., et al. Fiber optic cables with high acoustic insulation // Technical Phys. Lett. 2019. V. 45. № 8. P. 769-772.

36. Vlasov A.A., Plotnikov M.Y., Aleinik A.S., et al. Methods for acoustic desensitization of fiber optic interferometer // J. Phys.: Conf. Ser. 2019. V. 1326. № 1. P. 012010.

37. Vlasov A.A., Plotnikov MY., Ashirov A.N., et al. The method for protection of sensitive fiber optic components from environmental noise and vibration impacts // 2019 IEEE Internat. Conf. Electrical Engineering and Photonics (EExPolytech). 2019. P. 305-307.

38. Poulsen C.V., Hansen L.V., Sigmund O, et al. Articles comprising an optical fibre with a fibre Bragg grating and methods of their production // Патент США 7809029. 2010.

39. Vlasov A.A., Plotnikov MYu., Volkovsky S.A., et al. Development of the passive vibroacoustic isolation system for the path matched differential interferometry based fiber-optic sensors // Optical Fiber Technol. 2020. V. 57. P. 102241.

40. Cielo P.G. Fiber optic hydrophone: Improved strain configuration and environmental noise protection // Appl. Opt. 1979. V. 18. № 17. P. 2933-2937.

41. Waagaard O.H., Ronnekleiv E., Forbord S., et al. Suppression of cable induced noise in an interferometric sensor syste. // 20th Internat. Conf. Optical Fibre Sensors. 2009. V. 7503. P. 75034Q.

42. Baney D.M., Van Wiggeren G.D., Motamedi A. Vibration noise mitigation in an interferometric system // Патент США 6825934. 2004.

43. Иванов Н.И., Шашурин А.Е. Защита от шума и вибрации. СПб: Печатный цех, 2019. 284 с.

ISSN 1063-7850, Technical Physics Letters, 2019, Vol. 45, No. 8, pp. 769-772. © Pleiades Publishing, Ltd., 2019. Russian Text © The Author(s), 2019, published in Pis'ma v Zhurnal Tekhnicheskoi Fiziki, 2019, Vol. 45, No. 15, pp. 29-32.

Fiber Optic Cables with High Acoustic Insulation

A. A. Vlasov"*, A. S. Aleinik", A. N. Ashirov", M. Yu. Plotnikov", and A. V. Varlamov6

a National Research University of Information Technologies, Mechanics and Optics (ITMO University),

St. Petersburg, 197101 Russia b Ioffe Physical Technical Institute, Russian Academy of Sciences, St. Petersburg, 194021 Russia

*e-mail: [e-mail] Received April 16, 2019; revised April 16, 2019; accepted April 29, 2019

Abstract—Theoretical calculations and an experimental study of the degree of decrease in the acoustic sensitivity of an optical fiber in the frequency range of 20—20 000 Hz inside the cables of special design were carried out. A substantial decrease in acoustic sensitivity has been achieved, that is, more than —29 dB with respect to the standard single-mode SMF-28 fiber in a polymer shell. This result can significantly increase the threshold sensitivity of measuring systems based on fiber optic interferometers.

Keywords: fiber optic sensors, environmental noise, noise reduction, noise insulation. DOI: 10.1134/S1063785019080157

The share of measuring systems based on fiber optic interferometric phase sensors in the market of monitoring systems is growing steadily [1] due to a number of advantages over conventional electric sensors. The demand for these systems is rapidly increasing in such industries as oil and gas and mining, the military-industrial complex, and many others [1]. For the development of these systems, special fiber optic cables are often used [2—4] that are constructed in such a way as to increase the sensitivity of the optical fiber to external effects, in particular, to acoustic vibrations. The use of such special cables as sensitive elements improves the sensitivity of measuring systems.

At the same time, in addition to the sensing element, high-precision systems based on fiber optic interferometric phase sensors include the so-called "compensation interferometer" [2, 5], which, on the contrary, requires maximum isolation from external acoustic effects leading to increased noise signal and degradation of parameters of the measuring system in terms of threshold sensitivity, accuracy, and dynamic range. One obvious way to decrease the acoustic sensitivity of optical fiber is to apply protective coatings. A great deal of research has been devoted to the use of various optical fiber coatings to protect against environmental noise [6—12]. In these works, polymer [6, 9], galvanic [7], and composite [8] coatings are studied. Their use requires high precision of the coating layer thicknesses (in the micrometer range) and is a rather complex technological task. Failure to comply with these requirements leads to a decrease in the effectiveness of acoustic insulation [7]. In [11, 12],

metalized coatings are considered useful for reducing acoustic sensitivity. In many of the abovementioned works, a static model of the acoustic sensitivity of an optical fiber is considered, which is based on the calculation of the phase difference caused by the effect of constant pressure on optical fiber. The correctness of this model for calculations in the low-frequency region up to 2—3 kHz has been confirmed in many studies [6—13]. Therefore, it is widely used to evaluate the effectiveness of noise reduction or determine the amplification of acoustic sensitivity of optical fibers with different coatings. The protection of the sensitive arm of the compensation interferometer precisely in the mentioned frequency range is the most critical in such a field of application of fiber optic sensors as hydroacoustics [14].

The purpose of this work is to develop the most effective fiber optic cable coatings that are compatible with standard cable industry technologies and to conduct an experimental study of the acoustic insulation properties in the entire audio frequency range of 20— 20000 Hz.

We prepared four samples of fiber cables with different types of coatings. These samples can be divided into two groups (Fig. 1, Table 1). The first group includes samples 1 and 2, the protective properties of which are based on the use of a copper tube as a rigid component with different fillings of the gap between the inner walls of the tube and the optical fiber. Materials with different characteristics of elasticity were used as fillings. The second group includes sample 3 with cable armoring of a light guiding core, which is a complex system, the high rigidity of which is caused by

11

L, m

tJ t t

13

Fig. 1. Cross section of fiber optic cables with various acoustic insulation: (a) samples 1 and 2 and (b) sample 3. (1) Copper tube (outer diameter D = 2.4 mm), (2) gap filling (D = 1.2 mm), (3) single-mode optical fiber in an acry-late protective sheath (D = 250 |im), (4) polymeric sheath (D = 4 mm), (5) a hydrophobic gel filling (D = 1.3 mm), and (6) six strands of a steel cable (D = 0.7 mm).

the material of cable strands (steel), and the aggregate elastic properties are distributed between the polymer shell, a hydrophobic filler, and a braided metal cable. Sample 4 is control. It is a standard SMF-28 telecommunication optical fiber in an acrylate sheath. The lengths of the samples are consistent with each other.

The study was carried out using an acoustic stand, the schematic diagram of which is shown in Fig. 2. The optical part of the circuit was a fiber interferometer, the signal from which was processed using homodyne demodulation implemented in a field programmable gate array logic integrated circuit [2, 5]. A broadband speaker in an open-screen acoustic enclosure was used to affect the test samples with a stationary noise signal (white noise). The samples under investigation were placed in a mesh suspension platform for the suppression of vibration effects. The experimental dependences of the spectral power density of the demodulated interferometer signal in the frequency band up to 20000 Hz were measured (Fig. 3a). The resonance peaks in the experimental dependences obtained are

14

15

-9 (0

17

16

Fig. 2. Schematic diagram of the experimental setup for measuring the acoustic sensitivity of the samples of fiber optic cables: (1) optical radiation source (X = 1550 nm, Popt = 1 mW), (2) optical fiber, (3) optical circulator, (4) test sample of fiber optic cable (sensing element), (5) fiber Bragg gratings, (6) photodetector, (7) X-splitter, (8) compensatory interferometer with a vibration-proof suspension in a hermetic case, (9) mirror, (10) amplifier, (11) acoustic exposure, (12) dynamic head in an acoustic screen, (13) digital-to-analog converter, (14) analog-to-digital converter, (15) homodyne demodulation circuit, (16) computer, and (17) operator.

associated with the intrinsic resonance frequencies of the samples described by the equation

fe

_ V ES/L

m

2n

(1)

where L is the sample length, m; S is the sample cross-section area, m2; and m is the sample weight, kg. For example, the most pronounced resonance peaks of the experimental samples in the frequency range of approximately 10 and 13 kHz coincide with the calculated transverse resonance frequencies of their structures; for L = D, the weight of Samples 1—3 was m = 35, 21, and 62 g, respectively; and the values of E and D are taken from Table 1 and Fig. 1, respectively.

The change in acoustic sensitivity when using coatings of optical fibers was determined based on a comparison of the sensitivity of experimental samples of

Table 1. Experimental samples with a description of protective coatings

Effective Effective Poisson's

Sample Description Young modulus of coating, GPa ration of coating, rel. units

1 Optical fiber in a copper tube with filling of EV-2BP-G polymer compound (E = 3 MPa, | = 0.49) 76.2 0.39

2 Optical fiber in a copper tube with filling of RTV-655 polymer compound (E = 5.6 MPa, | = 0.4) 76.2 0.37

3 Optical cable armored with steel cable (six strands, D = 0.7 mm, E = 200 GPa, 82.2 0.38

| = 0.3), filled with a hydrophobic gel (D = 1.3 mm, E = 1.2 GPa, | = 0.2)

4 Standard optical fiber in an acrylate sheath 18.6 0.23

the same lengths with the sensitivity of a standard single-mode optical fiber using the following equation:

20

AS = 20 log

r A \

A?

V A? f J

(2)

where Aq>c is the induced phase difference in the optical fiber with the test coating and Aqy is the induced phase difference in the optical fiber with a standard acrylate sheath (without a protective coating). The effectiveness of acoustic isolation (noise reduction) can be calculated by the same equation with the inverse expression under the logarithm.

The phase difference between the arm of a fiber interferometer when acoustically affecting an optical fiber is described by the equation [13]

A? f =

(1 - 2 "

E

+

n-(1 - 2^)(2Pi2 + pu)

2E

(3)

A?c = 2nnPL À

1

n_ 2

(P12 - P11^ - P12^)

X

R2(1 - 2[j') + 2r2(- " F(R2 - r2) + Er2

P11 + P12)^^

(4)

1 total

=SI

Vu

(5)

full y

where Ptotal is the resulting value of the desired parameter, Fmat is the volume occupied by this material,

m

T3

£

10

o -Q

CO

O -10

ft o

-30

- 1 1 1 1 i (a) -

\ 1 1 _ __________—J iL-.^.-- • •• • • ...'. „

¡H,

V kr ''''* • -

-■ ! 1 -

l flf -2 -

- ! T — 3 -

-4 - 1 1

' 1 1

0.5 1.0 1.5

Frequency, 104 Hz

2.0

2.5

Relative acoustic sensitivity, dB -1.0 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2

where X is the wavelength of optical radiation, m; n is the effective refractive index of the optical fiber, rel. units; L is the optical fiber length, m; P is the acoustic pressure level, Pa; ^ is the Poisson's ratio of the optical fiber, rel. units; E is the Young's modulus of the optical fiber, Pa; and p12 and p11 are the elements of the matrix describing the photoelasticity effect for the optical fiber [6, 13]. Based on this dependence, we calculated the specific linear sensitivity of a single-mode optical fiber. At a wavelength of optical radiation of 1550 nm, it is approximately 50 ^rad/Pa for a sample 1 m in length. This value was used as a reference when comparing experimental samples of fiber optic cables, for which the phase difference at the output of the fiber optic interferometer is described as follows [6]:

^ 0.36

In Eq. (4), R and r are the outer and inner radii of the coating material, m, and E' and are the effective Young's modulus and the effective Poisson's ratio, determined as weighted averages by the volume fraction of individual materials forming the structure of the sheath of an optical fiber cable [15]; that is,

7.6 7.8 8.0 8.2 Young modulus, 1010 Pa

Fig. 3. (a) Experimental spectral dependences of the acoustic sensitivity of the samples of cables with different coatings (the curve numbers correspond to the sample numbers). (b) Theoretical dependence of decreasing linear acoustic sensitivity of an optical fiber cable (the resulting phase difference) in a fiber interferometer with an increase in the effective Young's modulus and effective Poisson's ratio (for a coating thickness of 1 mm), normalized to the linear acoustic sensitivity of the standard telecommunications optical fiber with an acrylate sheath. The calculation is made for a static pressure of 1 Pa. Points indicate the calculated values of the relative acoustic sensitivity of the experimental samples: (diamond) sample 1, (triangle) sample 2, and (circle) sample 3.

Vfull is the total volume of the composition, and Pi is the parameter of this material.

The results of the calculations, normalized to the level of intrinsic acoustic sensitivity of the optical fiber, are presented in Fig. 3b. The results indicate that the most significant decrease in sensitivity occurs with a simultaneous increase in the effective Young's modulus and the effective Poisson's ratio. It follows from the experimental data that sample 3 has the most considerable noise suppression in the measured frequency band; its coating has a high resulting Poisson's ratio of ^ = 0.38 with the largest resultant Young's modulus of E = 82.2 GPa. In this design, the high effective Young's modulus is due to the presence of steel strands of the cable, and the high Poisson's ratio is due to the presence of a hydrophobic gel and the elastic properties of the spiral-twisted steel strands. The effectiveness of noise reduction when using this coating is up to

0

R-20

0

0

30 dB in the frequency range of20—3500 Hz and up to 8 dB in the frequency range of 4000-20000 Hz. Among the samples of the first group (samples 1 and 2), sample 1 with the most flexible compound, EV-2BP-G, was the most effective (E = 3 MPa, | = 0.49). The effectiveness of noise reduction in the application of this coating is also up to 30 dB in the frequency range of 20-3500 Hz. However, with an increase in the frequency of acoustic exposure (above 3000 Hz), an increase in sensitivity of these samples is observed, partly due to the approximation of the acoustic impact wavelength to the physical length of the sample under study and, consequently, to the frequency of the longitudinal resonance. At a frequency of 3000 Hz, the sound wavelength in a quartz optical fiber is 1.92 m with a sample length of 1.44 m. In addition, this frequency is the limit of applicability of the used static model for assessing the acoustic sensitivity of an optical fiber.

Thus, fiber optic cables of various types were studied to achieve the minimum acoustic sensitivity of the optical fiber. The main goal was to decrease the susceptibility of elements of fiber optic interferometers to the acoustic noise of the environment. This task is essential to ensure the operation of fiber optic measuring systems under real-life conditions. In the experimental test, the most effective coating of the optical fiber was determined, namely, an optical cable armored with a braided steel cable. Its maximum efficiency of acoustic insulation was up to 30 dB (compared to the level of acoustic sensitivity of uncoated optical fibers) in the frequency range of 20-3500 Hz. This type of protective coating of an optical fiber retains its protective properties in the entire audio frequency range (20-20000 Hz), while the protective properties of other types of coatings studied are useful only in the frequency range of 20-3000 Hz with comparable efficiencies of acoustic insulation.

FUNDING

The authors from the National Research University of Information Technologies, Mechanics, and Optics (ITMO) are grateful to the Ministry of Education and Science of the Russian Federation for the financial support of the work under project no. 03.G25.31.0245.

CONFLICT OF INTEREST The authors declare that they have no conflict of interest.

REFERENCES

1. A. Cusano, A. Cutolo, and J. Albert, Fiber Bragg Grating Sensors: Recent Advancements, Industrial Applications and Market Exploitation (Bentham Science, 2011).

2. A. V. Volkov, M. Y. Plotnikov, M. V. Mekhrengin, G. P. Miroshnichenko, and A. S. Aleynik, IEEE Sens. J. 17, 4143 (2017).

3. R. S. Freeland, B. Chow, J. Williams, and A. Godfrey, Proc. SPIE 10208, 102080M (2017). https://doi.org/10.1117/12.2263586

4. V. S. Lavrov, A. V. Kulikov, M. U. Plotnikov, M. E. Efi-mov, and S. V. Varzhel, J. Phys.: Conf. Ser. 735, 012014 (2016).

5. M. J. Plotnikov, A. V. Kulikov, V. E. Strigalev, and I. K. Meshkovsky, Adv. Opt. Technol. 2014, 815108 (2014).

https://doi.org/10.1155/2014/815108

6. G. W. McMahon and P. G. Cielo, Appl. Opt. 18, 3720 (1979).

7. N. Lagakos, I. J. Bush, J. H. Cole, J. A. Bucaro, J. D. Skogen, and G. B. Hocker, Opt. Lett. 7, 460 (1982).

8. G. B. Hocker, Opt. Lett. 4, 320 (1979).

9. Y.-C. Yang, H.-L. Lee, and H.-M. Chou, Appl. Opt. 41, 1989 (2002).

10. N. Lagakos, T. R. Hickman, J. H. Cole, and I. A. Bucaro, Opt. Lett. 6, 443 (1981).

11. L. E. Siems, G. Knapp, and J. Maida, US Patent No. 6522797 (2003).

12. C. V. Poulsen, L. V. Hansen, O. Sigmund, J. E. Peder-sen, and M. Beukema, US Patent No. 0183464 (2007).

13. G. B. Hocker, Appl. Opt. 18, 1445 (1979).

14. M. Y. Plotnikov, V. S. Lavrov, P. Y. Dmitrashchenko, A. V. Kulikov, and I. K. Meshkovsky, IEEE Sens. J. 19, 3376 (2019).

15. DoITPoMS—TLP Library Mechanics of Fibre-Reinforced Composites. Stiffness of Long Fibre Composites. www. doitp oms.ac.uk/tlplib/fibre_comp osites/st. Accessed April 15, 2019.

Translated by O. Zhukova

View publication stats

ISSN 0020-4412, Instruments and Experimental Techniques, 2020, Vol. 63, No. 4, pp. 577-582. © Pleiades Publishing, Ltd., 2020. Russian Text © The Author(s), 2020, published in Pribory i Tekhnika Eksperimenta, 2020, No. 4, pp. 138-144.

PHYSICAL INSTRUMENTS FOR ECOLOGY, MEDICINE, BIOLOGY

The Influence of a Method of Bracing a Fiber-Optical Seismic Streamer during Towing on the Parameters of Its Output Signal1

A. A. Vlasov"*, M. Yu. Plotnikov", V. S. Lavrov", S. S. Kiselev", and A. S. Aleinik"

a St. Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics, and Optics (ITMO University),

St. Petersburg, 197101 Russia *e-mail: [e-mail] Received March 3, 2020; revised March 13, 2020; accepted March 14, 2020

Abstract—The dependence of the noise density in a signal of a fiber-optic towed streamer in a frequency band of 10 Hz—1 kHz on the towing speed in a range of 1 to 5 knots, on the coefficient of relative elongation of its elastic section, its type, and on the type of attachment of the elastic section to the towed body have been studied. In addition, the dependence of the tensile load on the studied streamer on the towing speed is obtained. The experimental data obtained during field tests on the streamer noise level and their analysis are presented. The reduction of the towing noise level when using an elastic section occurred by a factor of up to 3 in a frequency range of 180 to 600 Hz depending on the type of elastic section when attaching it to a strength member of the towed body, and up to 2 in the entire studied frequency range.

DOI: 10.1134/S0020441220040363

INTRODUCTION

Towed seismic streamers are widely used as receivers of sounding acoustic signals in geophysical research and seismic exploration of minerals in the region of the continental shelf [1].

Towing a seismic streamer leads to an impact of noise factors that are characteristic of this process, thus resulting in an increase in the noise level in signals from hydrophones of the seismic streamer. A review of the topic of noise impacts during towing and their control was presented in [1].

This study is devoted to investigation of the influence of the method of attaching (bracing) a fiber-optic (FO) seismic streamer to a tow vessel during towing on the parameters of its output signal. One of the most significant noise factors that act on a seismic streamer is the jerky effects of a tugboat. The main factor that causes this type of noise is the nonuniform speed of the tugboat, especially when it moves in waves with a variable wind load. These impacts are manifested in the form of changes in the tension magnitude when towing a seismic streamer, thus leading to a corresponding change in the velocity of motion of the sensitive section with hydrophones, a change in its length, and an associated increase in the flow noise (since its intensity also depends on the towing speed) [1—3].

1 The results of this research were presented and discussed at the third International Conference "Optical Reflectometry, Metrology, and Sensorics 2020" (http://or-2020.permsc.ru/, September 22-24, Perm, Russia).

Noise impacts of this type are of relatively low-frequency nature (units and tens of hertz), which is due to the large mass and inertia of the vessel, as well as the wave situation at the sea. As a rule, the influence of these impacts is reduced by attaching the towed body to the vessel through an elastic section, which is made of an elastic material and expends the jerk energy to a change in the length (the elastic strain of stretching) of the section itself without transferring it to the sensitive section.

In this paper, the dependence of the noise level in a signal of a FO seismic streamer on the relative elongation coefficient of the elastic section, as well as on the method of connecting the elastic section to the body of the towed streamer: fixing to the outer shell and fixing to the strength member of the FO cable using a specially designed mortise section. A technical solution that provides acceptable parameters is presented.

THE EXPERIMENTAL TECHNIQUE

The influence of the method of attaching a FO seismic streamer during towing on the parameters of its output signal was studied during field tests of a prototype that was developed by the Lightguide Photonics Research Center of the ITMO University. The composition of the onboard equipment, the structure of the sensitive section, and the features of processing signals from the developed FO streamer were discussed in detail in [4—6].

10

Fig. 1. The diagram of the field tests: (1) tugboat; (2) onboard part of the equipment of the fiber-optic streamer; (3) setting and pulling device (cable drum); (4) elastic section; (5) towed body; (6) buoy; (7) submerging load; (8) sensitive section (hydrophones); (9) terminal body; and (10) bottom.

(c)

6

Fig. 2. The schematic diagrams of fastening the elastic section: (a) to the tugboat, (b) to the towed body using a mortise fastening section, (c) to the towed body using a self-tightening superimposed loop: (1) fastening a strain gauge to a girder in the stern; (2) girder in the vessel stern; (3) strain gauge; (4) attachment of the elastic section to the strain gauge; (5) elastic section; (6) towed body of the fiber-optic seismic streamer; (7) strength member inside the fiber-optic towed streamer; and (8) self-tightening superimposed loop.

In the course of this study, the noise level in the output signal of the seismic streamer was estimated at different values of towing speeds depending on the value of the relative elongation coefficient of the elastic section, as well as on the method of attaching the elastic section to the towed body. The scheme of towing is shown in Fig. 1.

Four specimens of elastic sections with different values of the relative elongation coefficient were manufactured for experimental verification. The first specimen was a segment of a steel rope with a protective 6/8 PVC layer that corresponds to the variant of towing without an elastic section because of the negligibly small coefficient of elongation of the steel rope under loads that do not exceed 20% of its tensile strength. The second specimen was a rope of Kolomna polyam-

Table 1. The dependence of the stiffness coefficient k [N/m] of the manufactured elastic sections on the applied tensile load

Variants of the elastic section Towing speed, knots

1 2 3 4 5

No. 1 (6/8 PVC steel rope) >105 >105 >105 >105 >105

No. 2 (Kolomna rope) 397 929 1312 1615 1994

No. 3 (twisted rope) 397 877 1117 1468 1671

No. 4 (Beal Booster III rope) 397 526 656 807 824

ide filaments with an outer diameter of 11 mm produced by JSC Kanat, the third specimen was a rope made of twisted synthetic fibers with an outer diameter of 9 mm, and the fourth was a rope made of Beal Booster III polyamide filaments with an outer diameter of 9.8 mm. The length of the elastic sections during towing was ~10 m.

The schemes of attaching the elastic sections to a tugboat and to the towed body are shown in Fig. 2. The tension of the towed body was monitored by a 00STC-001T-G0-00F metal-resistive compression—tension strain gauge that was inserted into a gap in the elastic section; its signals were received and processed with an OVEN MV110-224.1TD unit. In the course of this study, the elastic section was attached to the towed body in two ways: using a self-tightening superimposed loop (a so-called "Chinese finger") and a developed mortise section that provided a rigid connection to the strength member of the FO cable.

During this experiment, the noise level in the output signal of the FO seismic streamer was evaluated during its towing at speeds of 1—5 knots. The noise level averaged over 16 channels of the towed streamer was evaluated in a frequency range of 10 Hz to 1 kHz. This frequency range is determined by the features of conducting geophysical research in engineering seismic exploration.

At the first stage of the experiment, the streamer was towed using an elastic section according to variant

no. 1 with the attachment to the towed cable using a superimposed self-tightening loop (Chinese finger, Fig. 2c) in a range of towing speeds of 1-5 knots. At the second stage of the experiment, towing was carried out at a constant speed of 4 knots using elastic sections according to options nos. 1-4 with the attachment to the towed cable using a superimposed self-tightening loop. At the third stage, the cable was towed at a constant speed of 4 knots with the use of elastic sections according to variants nos. 1-4, which were attached to the towed cable using a mortise fastening section to ensure a brace with the cable strength member (Fig. 2b). A speed of 4 knots was chosen as the best with respect to the time resolution of scanning during surveys; this speed is most often used in engineering seismic exploration.

Elongation coefficient, rel. units 0.12

20 40 60 80 100 120 140

Tensile load, kg

Fig. 3. Studying the dependence of the specific elongation coefficient of the manufactured elastic sections on the applied tensile load: (1) Kolomna rope, (2) rope of twisted synthetic filaments, and (3) Beal Booster III rope.

RESULTS AND DISCUSSION

Before conducting field tests on towing an FO seismic streamer, the dependence of the values of the specific elongation coefficients of the manufactured elastic sections on the applied tensile load was studied. The results of this study are shown in Fig. 3. This research was performed in accordance with GOST-R (State Standard) EN1891-2012 (ISO EN1891).

Subsequently, the experimental dependence of the tensile load [kg] on the towing speed $ [knots] was obtained using sampled strain-gauge readings. This dependence can be described by the following expression (for the approximation confidence R2 = 0.9984):

Ft

= 5.9988#

1.4821

(1)

By comparing the data of the graphs in Fig. 3 and formula (1), one can estimate the stiffness coefficient of the elastic sections at different towing speeds [7]:

k = Ft = Er Ml cl

(2)

where k, N/m, is the stiffness coefficient; FT, N, is the force of the applied tensile load; Al, m, is the change in the elastic-section length under the action of the stretching load; £, rel. units, is the coefficient of relative elongation of the elastic section; and l, m, is the length of the elastic section.

The experimental data that were obtained at the first stage of the experiment (towing with a section according to variant no. 1 at different speeds, fastening with a superimposed loop (Fig. 2c)) are shown in Fig. 4. It is seen that the noise level at low frequencies of up to 200 Hz increases with an increase in the towing speed by a factor of 2 to 20; in a frequency range of 200 to 1000 Hz, an increase in the towing speed leads to a decrease in the noise level by a factor of 2 to 10. This effect can be explained by the fact that when the towing speed increases, the level of the applied tensile load increases as well, thus leading to tension on the towed streamer and reduction of its sagging and associated

bending vibrations. The increase in the noise level in a frequency range of up to 200 Hz is due to an increase in the intensity of the tugboat's jerks upon an increase in its speed of motion. The results of this stage of the experiment with variant no. 1 of the elastic-section, which is attached through a superimposed loop, are referenced when comparing to the data obtained at the further stages.

Figure 5 shows the experimental data that were obtained at the second stage of the experiment (towing at a speed of 4 knots with elastic sections according to variants nos. 1-4, when they were attached to the towed body using a self-tightening superimposed loop (Fig. 2c)). As is seen, the noise level decreases in a frequency range of 180 to 600 Hz by a factor of up to 3 when using elastic-section variant no. 3 (a twisted rope of synthetic filaments). In the low-frequency region (up to 100 Hz), the noise level is approximately the same for all versions of elastic sections. The use of the elastic-section option no. 4 led to the occurrence of spurious harmonic components in the noise spectrum at frequencies of nearly 366 and 727 Hz. The cause of fluctuations at these frequencies is apparently self-oscillations of the elastic section that occurred during towing [8]:

, 1 Ft [H] ld\ np

(3)

where m is the harmonic number; d, m, is the cross-sectional diameter of the elastic section; and p, kg/m3, is the density of the elastic-section material. According to the technical data, the material density p of the Beal Booster III rope is ~825 kg/m3.

The experimental data that were obtained at the third stage ofthe experiment (towing at a speed of 4 knots with elastic sections according to variants nos. 1-4, when they are attached to the strength member of the towed body using a mortise fastening section (Fig. 2b)) are shown in Fig. 6. As is seen, the noise level decreases by 1.5 times when using the elastic-section option no. 3 in

0

Noise level, rad/Hz0.5

Fig. 4. The dependence of the noise level of the fiber-optic towed streamer on the towing speed. The numbers near the curves correspond to the values of the towing speed (in knots).

Noise level, rad/Hz0.5

Frequency, Hz

Fig. 5. The dependence of the noise level of the towed fiber-optic streamer on the type of elastic section that is attached using a self-tightening superimposed loop. The numbers near the curves correspond to the variant number of the used elastic section.

a frequency range of 300 to 400 Hz compared to other elastic-section variants. The use of variant no. 2 reduces the towing noise level by 1.5 times in a frequency range of 700 to 1000 Hz and in a low-frequency range of up to 20 Hz.

A comparative analysis of the experimental data for elastic-section variant no. 3 when attached using a superimposed self-tightening loop (Fig. 2c) and when attached to the strength member of the towed body with a mortise fastening section (Fig. 2b) is shown in Fig. 7. It is seen that this variant allows one to reduce the noise level by 1.5—2 times in the low-frequency region of up to 170 Hz. At frequencies of200 to 400 Hz, the use of this fastening variant leads to an increase in the noise level by 1—5 times. At frequencies of700 to 900 Hz, the noise level is reduced by a factor of up to 2.

In addition to the average level of intrinsic noise, the frequency-dependent noise-level spread between the channels of the towed fiber-optic seismic streamer was also assessed at this measurement stage. The calculation was performed using the following formula [9]:

STD(f ) =

N

1Z (S (f ) - S(f ))2

N k=1_

S (f )

x 100%, (4)

where STD(f), %, is the noise-level spread between the channels of the seismic streamer as a function of f; N is the number of fiber-optic hydrophones in the streamer

(16 pcs); S(f), rad/VHz is the noise level of the ith

streamer channel at the frequencyf; and S (f ), rad/VHz is the average noise level for the streamer channels at

Noise level, rad/Hz0.5

Frequency, Hz

Fig. 6. The dependence of the noise level of the fiber-optic towed streamer on the type of elastic section that is attached with a mortise fastening section. The numbers near the curves correspond to the variant number of the used elastic section.

the frequency f. The results are shown in Fig. 8 for elastic-section variant no. 3.

It is seen that the use ofthe attachment to the strength member using a mortise fastening section (Fig. 2b) makes it possible to reduce the standard (rms) noise-level deviation over the channels of the fiber-optic streamer by a factor of 2 during its towing. A similar pattern of the decline in the rms deviation of the towing noise for the streamer channels is observed for the other variants of elastic sections.

These effects are apparently due to the fact that when the elastic section is attached to the outer shell of the towed body using a superimposed self-tightening loop, under the influence of a tensile load during towing, the outer shell and the strength member can move relative to each other, thus increasing the interference effects on the sensitive elements; these effects are non-

Noise level, rad/Hz0.5

Fig. 7. A comparative analysis of the experimental data for various types of attachment of the elastic section (variant no. 3) to the towed body: (1) when attached with a mortise fastening section (to the strength member) and (2) when attached using a self-tightening superimposed loop.

uniform along the towed-streamer length. When the streamer is attached to the strength member using the mortise fastening section, the ability to make such a movement is blocked, thus favorably affecting the overall noise level in the output signal of the towed fiber-optic seismic streamer.

CONCLUSIONS

The influence of the method of attaching a fiberoptic seismic streamer cable during towing on the parameters of its output signal was investigated in this study. During the field seismic-streamer tests, the experimental dependences of the tensile-load level on the towing speed and the noise level in the seismic-streamer signal on the towing speed, the type and relative elongation of the elastic section, and the type of

Spread of the noise level between the channels, %

Fig. 8. A comparative analysis of the rms noise-level deviation between the channels for various variants of attaching the elastic section (variant no. 3) to the towed body: (1) when attaching with a superimposed self-tightening loop (Fig. 2c) and (2) attaching with a mortise fastening section (to the strength member, Fig. 2b).

attachment of the elastic section to the towed body were obtained.

It has been shown that using different versions of elastic sections for towing a seismic streamer reduces the noise level in its signal; however, this effect significantly depends on the frequency and the parameters of the elastic section. The noise level decreases in a frequency range of 180 to 600 Hz by a factor of up to 3 when using an elastic section of twisted synthetic filaments (variant no. 3). In the region of low frequencies of up to 100 Hz, the noise level for all variants of elastic section is approximately the same. Thus, for a more pronounced noise-reduction effect, a detailed calculation and selection of parameters of the elastic section are necessary.

When the elastic section is attached to the towed body through the strength member using a mortise fastening section, it is possible to reduce the noise level at low frequencies of up to 170 Hz by a factor of 1.5—2. At frequencies of 200 to 400 Hz, the use of such a fastening variant leads either to an increase in the noise level by 1.5—3 times (for an elastic section of twisted synthetic filaments), or to a decrease by 1.5—2 times for the other versions of elastic sections. The noise level is reduced by ~2 times at frequencies of 700 to 900 Hz.

In addition, the use of the variant of attachment to the strength member allows a decrease in the rms deviation of the noise level between the channels of the towed fiber-optic seismic streamer by a factor of 2. Thus, fixing the optical cable to the strength member during towing allows one to reduce the overall noise level and the rms deviation between the channels; however, this approach also requires detailed calculation and selection of the parameters of the elastic section.

REFERENCES

1. Vlasov, A.A., Aleynik, A.S., Plotnikov, M.Yu., Dmi-triev, A.A., and Varzhel, S.V., Sci. Tech. J. Inf. Technol., Mech. Opt., 2019, vol. 19, no. 4, p. 574. https://doi.org/10.17586/2226-1494-2019-19-4-574-585

2. Andrews, D.E., Jr., US Patent 5062085, 1991.

3. Makarenkov, A.P. and Voskoboinik, V.A., in Aktual'nye aspekty fiziko-mekhanicheskikh issledovanii. Akustika i volny (Topical Aspects on Physical and Mechanical Researches. Acoustics and Waves), Meleshko, V.V. and Oleinik, V.N., Eds., Kyiv: Naukova Dumka, 2007.

4. Plotnikov, M.Y., Lavrov, V.S., Dmitraschenko, P.Y., Kulikov, A.V., and Meshkovskiy, I.K., IEEE Sens. J., 2019, vol. 19, no. 9, p. 3376. https://doi.org/10.1109/JSEN.2019.2894323

5. Plotnikov, M.J., Kulikov, A.V., Strigalev, V.E., and Meshkovsky, I.K., Adv. Opt. Technol., 2014, vol. 2014, article ID 815108.

https://doi.org/10.1155/2014/815108

6. Nikitenko, A.N., Plotnikov, M.Y., Volkov, A.V., Me-khrengin, M.V., and Kireenkov, A.Y., IEEE Sens. J., 2018, vol. 18, no. 5, p. 1985. https://doi.org/10.1109/JSEN.2018.2792540

7. Love, A.E.H., A Treatise on the Mathematical Theory of Elasticity, Cambridge: Cambridge Univ. Press, 1927.

8. Larin A.A., Bull. Khark. Polytech. Inst. Hist. Sci. Technol., 2008, vol. 8, pp. 89-97.

9. Ivchenko, G.I. and Medvedev, Yu.I., Vvedenie v matematicheskuyu statistiku (Introduction into Mathematical Statistics), Moscow: LKI, 2010.

Translated by A. Seferov

ISSN 0020-4412, Instruments and Experimental Techniques, 2020, Vol. 63, No. 4, pp. 502-506. © Pleiades Publishing, Ltd., 2020. Russian Text © The Author(s), 2020, published in Pribory i Tekhnika Eksperimenta, 2020, No. 4, pp. 67-72.

GENERAL EXPERIMENTAL TECHNIQUE

Research on the Influence of the Degree of Acoustic Sealing of Acoustically Conditioned Sound Protective Cases of Fiber-Optic Interferometers on their Characteristics1

A. A. Ylasov"*, A. V. Yarlamov"4, A. N. Ashirov", N. E. Kikilich", and A. S. Aleinik"

a St. Petersburg National Research University of Information Technologies, Mechanics, and Optics (ITMO University),

St. Petersburg, 197101 Russia b Ioffe Physical Technical Institute, Russian Academy of Sciences, ul. Politekhnicheskaya 26, St. Petersburg, 194021 Russia *e-mail: [e-mail] Received March 3, 2020; revised March 13, 2020; accepted March 14, 2020

Abstract—This article is devoted to the study of the influence of acoustic environmental impacts on the operation of fiber-optic interferometers and measuring systems that are based on them. A method for reducing this influence by using an acoustically conditioned sound-proofing case for operation in the presence of external impacts in a frequency range of 20 to 20000 Hz is considered. A mathematical model and the results of its research are presented; the calculated dependence of the degree of reducing the acoustic sensitivity of a fiber-optic interferometer on the degree of acoustic sealing of its case is obtained. An experimental setup and a technique for experimental evaluation of the degree of acoustic sealing when studying the cases of devices were developed.

DOI: 10.1134/S0020441220040351

INTRODUCTION

Fiber-optic phase measuring systems are the most advanced in terms of their accuracy, weight-size, and operational parameters. The absence of mechanical and conductive parts, high electromagnetic interference immunity, and the possibility of multiplexing a large number of sensors in a single optical fiber (OF) have led to the widespread development of such systems [1]. The principle of operation of fiber-optic phase measuring systems consists in the interference of reference and measurement optical signals; in a general case, the phase difference between them determines the intensity of the interference signal according to the expression

I = Imeas + Irei + 2VImeasIref C°s(A^meas - ^refX (1)

where I, W/m2, is the interference-signal intensity; Imeas, W/m2, is the measurement-signal intensity; Iref, W/m2, is the reference-signal intensity; A^meas, rad, is the phase difference induced by the effect of the measured quantity in the sensitive arm of the interferome-

1 The results of this research were presented and discussed at the third International Conference "Optical Reflectometry, Metrology, and Sensorics 2020" (http://or-2020.permsc.ru/, September 22-24, Perm, Russia).

ter; and A^ref, rad, is the phase difference in the reference arm of the interferometer.

When operating under actual conditions, the interferometer is subjected to external acoustic environmental impacts, thus leading to the occurrence of an additional phase difference in its reference arm [2]:

2nnL

x

(1 - 2^)

+

A^ref =

f-(1 - 2^(2 p12

2E

+ P11)

(2)

AP,

where X, m, is the wavelength of optical radiation; n is the effective refractive index of the OF; L, m, is the OF length; AP, Pa, is the acoustic-pressure level; ^ is the Poisson ratio of the OF; E, Pa, is the Young modulus of the OF; and p12 and p11 are the elements of the matrix that describes the OF photoelasticity effect.

This problem is particularly relevant when developing measuring systems based on the principles of PMDI interferometry (path-matched differential interferome-try), when a compensating interferometer (CI) is introduced into the optical scheme to reduce the requirements for the coherence length of probing optical radiation. Compensating and measuring (sensitive) interferometers (SIs) are usually spaced apart; in this case, external acoustic impacts on them are not cor-

Fig. 1. The principle of propagation of an acoustic impact: (1) external acoustic impact; (2) device housing (case); (3) structural wave in the housing structure that is caused by an external acoustic impact; (4) direct air wave that penetrates through holes in the housing; (5) air wave that is caused by vibrations of the housing surface under the action of structural wave 3; (6) structural wave that propagates through the housing structure; and (7) protected object.

related, and, as a result, the output signal of fiberoptic phase measuring systems contains a component that is due to external acoustic effects on the compensating interferometer and is inseparable from the useful signal [3-6]:

I = Isi + ICI + 2VWos(A^I - Aq>cI), (3) where I, W/m2, is the interference-signal intensity; ISI, W/m2, is the optical-signal intensity in the SI; ICI, W/m2, is the optical-signal intensity in the CI; ApSI, rad, is the phase difference induced in the SI by the influence of the measured quantity; and ApCI, rad, is the phase difference induced in the CI by the external acoustic (noise) impact.

This problem is no less urgent when developing fiber lasers, an external acoustic impact on whose resonators causes a shift of the central wavelength of their emission [6, 7]:

AX X

(2^ -1)

(2^ - 1)(2P12 + Pu)

2E

AP, (4)

METHODS FOR PROTECTING

FIBER-OPTIC COMPONENTS AGAINST ENVIRONMENTAL NOISE

Depending on the medium where vibrations propagate, an acoustic effect can be divided into air and structural noises. Air noise propagates in a gaseous medium, while structural noise propagates in a solid medium. In this case, the interaction of an acoustic air wave with a solid barrier leads to structural vibrations in the latter. In turn, structural vibrations of the solid-body surface lead to the appearance of an air acoustic wave. As a result, the resulting acoustic effect at the measurement point is extremely complex under actual conditions. The acoustic-impact propagation process is explained in Fig. 1.

A decrease in the level of the sound pressure that acts on the reference arm of the fiber-optic interferometer can be achieved by using a device housing (case) that was designed to introduce attenuation for propagating air and structural waves of an acoustic impact. Housings made of dense and rigid materials with high values of Young's modulus are used to attenuate a direct air wave, for which the maximum reflection coefficient is achieved and the degree of the housing sealing also increases [8]. The degree of acoustic sealing can be estimated from the formula [8]

AH

_ i=1

-x 100%,

(5)

where X, m, is the central wavelength of optical laser radiation and AX, m, is the shift of the central wavelength of optical radiation.

Thus, an external acoustic impact on components of fiber-optic measuring systems, such as interferometers and fiber lasers, leads to a decrease in the accuracy parameters: the signal-to-noise ratio deteriorates, the minimum detectable impact decreases, and the dynamic range narrows.

This study is devoted to reducing the influence of environmental noise on the accuracy and performance parameters of fiber-optic phase measuring systems. The objectives of this study are to find ways to build acoustically prepared sound-proof housings for fiberoptic interferometers and to study the effect of their parameters on the reduction of the sound-pressure level on fiber-optic interferometers.

where Sh,, m2, is the area of the ith hole in the housing; k is the number of holes; and Stot, m2, is the total area of the housing surface.

Viscoelastic coatings (bitumen, rubber, etc.) with a high coefficient of mechanical loss are used to reduce the intensity of a structural wave that propagates in the housing material [8]. A distributed mass is often placed on top of these coatings in order to increase the degree of elimination of undesirable effects due to the formation of an additional oscillatory circuit with high losses [8]. According to this principle, multilayer structures can be formed to expand the frequency range of the effective operation and increase the degree of elimination.

The inner surface of the housing structure can be coated with sound absorbers of fibrous and porous materials to reduce the intensity of the secondary air wave, which is caused by the sound emission of the housing structure [8, 9].

Protective coatings of the optical fiber can be used inside acoustically prepared devices [3, 4, 6, 10] to increase the resulting efficiency of the noise protection measures, as well as optical schemes that make it possible to compensate for the external acoustic impacts on the interferometer [11].

k

h

tot

Acoustic-sensitivity level, dB

Frequency, 104 Hz

Fig. 2. The comparison of the experimental results and the results of the model operation: (1) decrease in the level of the phase acoustic sensitivity by using a housing with known parameters, (2) level of 0 dB (without a housing), and (3) result of simulating a decrease in the phase acoustic sensitivity with the use of a housing with known parameters.

Acoustic-sensitivity level, dB

Frequency, Hz

Fig. 3. The dependence of the phase acoustic sensitivity of the fiber-optic interferometer on the degree ofthe acoustic hermetization of the outer housing: (1) for the degree of the acoustic hermetization of 0%, (2) 1%, (3) 2%, (4) 3%, (5) 5%, (6) 7%, (7) 10%, and (8) level of 0 dB (without housing).

MATHEMATICAL SIMULATION

In the course of this study, a mathematical model, which was developed on the basis of adapting the approaches of engineering and architectural acoustics (reducing the air-noise level by a thin flat enclosing structure), is proposed for the joint use with the static model of the acoustic sensitivity of an optical fiber in the case of a uniform isotropic compression [2—4, 10, 12].

The model describes a decrease in the phase acoustic sensitivity A^ref of the reference arm of a fiber-optic interferometer inside an acoustically prepared housing as a function of its parameters: the geometric dimensions, the material and wall thickness, the coefficient of mechanical loss of the applied viscoelastic layer, the degree of acoustic sealing, the area of coverage of the internal volume with a sound-absorbing material, and its sound absorption coefficient.

The reliability of the developed mathematical model is confirmed by the high degree of convergence of the results that were obtained during simulation to the results of the experimental verification of the degree of reduction of the acoustic-pressure level by the housing with known parameters [4] in a sound frequency range of 20 to 20000 Hz (Fig. 2). The measurement technique was described in detail in [3, 4, 6].

The linear Pearson correlation criterion for the simulation model results and the results of processing the experimental data for the identical parameters of the studied housing was 0.908. The incomplete convergence of the model to the experimental curve is due to a difference that results from the inevitable technological spread of the actual values of the parameters of the used materials relative to the reference data. The degree of the acoustic hermetization (AH) of the tested housing was ~1%.

Subsequently, the developed model was studied in a frequency range of 20—5000 Hz to determine the

factors that affect the level of acoustic-sensitivity reduction most seriously. During this study, it was found that such a factor is primarily the degree of the acoustic hermetization AH of the protective housing [%]. The family of spectra for evaluation of of the influence of the degree of housing hermetization AH is shown in Fig. 3. It can be seen that in the presence of slits, whose total area is only 1% of the entire area of the inner surface of the housing, the sound insulation decreases significantly (up to 20 dB). According to the data that were obtained during simulation, the relationship between the degree ofthe housing hermetization AH [%] and the maximum degree of reduction of the acoustic sensitivity AScase [dB] can be described by the following expression (for the approximation confidence R2 = 0.9221):

jAScase! ~ -0.1101(AH)3

- 2.0719(AH)2 - 12.401(AH) + 26.82.

THE EXPERIMENTAL TECHNIQUE

Assessing the degree of acoustic hermetization of a housing is quite a nontrivial task, since due to the complexity of the design, not all of its holes and slits can be measured directly. In the theory of leak detection of vacuum systems and pipelines this problem is solved by using the so-called methods for increasing or decreasing the pressure. The essence of these methods is as follows: inside the investigated volume V an increased or decreased pressure is applied, and its dynamics of change changes in time is recorded using a pressure sensor. In [13], the experimental dependence of the hole diameter D on the level of pressure leakage is presented, which can be approximated by the following expression (for the approximation confidence R2 = 1):

Fig. 4. The experimental setup for evaluating the degree of the acoustic hermetization of the housing: (1) compressor with a receiver; (2) shutoff valve; (3) microcontroller; (4) housing under study; (5) pressure sensor; (6) destructible storage tank of an elastic material; and (PC) personal computer.

D = 0.0001

V APn

mb

At

(7)

I

Sh = (8 x 10"8)

1 At

(8)

Pressure, 105 Pa $5

1.2

1.1

1.0

4

5.45

5.46

5.47

5.48

5.49 Time, s

where V, L, is the volume of the investigated housing; APmb, mbar, is the change in the pressure level; and At, s, is the time interval within which the pressure level changes.

Thus, the total area of the holes in the investigated housing can be estimated using the following expression (for the approximation confidence R2 = 1):

where Vm, m3, is the volume of the investigated housing; and APpa, Pa, is change in the pressure level.

An experimental setup was created to perform an experimental assessment of the degree of the acoustic hermetization of the housing, whose scheme is shown in Fig. 4. In view of the fact that the expected total area of the slits and holes in the housing may comprise a significant portion of the total area of its inner surface, and therefore, the pressure-equalizing process will be rapid, the compressor capacity and the speed of actuating valves must ensure the ability to force a pressure impulse of considerable amplitude with sharp edges. If this is impossible or difficult, it is proposed to use an additional destructible storage tank made of an elastic material (6 in Fig. 4) inside the tested housing. When pressure is applied from the compressor, the housing begins to expand, thus preventing leakage of the pressurized air to the external environment. When the pressure inside the storage tank exceeds its ultimate stress, its destruction occurs, which is accompanied by a rapid omnidirectional shock air flow into the external environment through slits and holes in the tested housing. Thus, due to the fact that a pressure wave is formed via the instantaneous destruction of the storage tank, any air-pressure source can be used for its initial pumping, and a rubber vessel, a balloon, etc., can serve as the storage tank.

Fig. 5. The result of the experimental study of the degree of the acoustic hermetization of the protective housing: (1) constant (atmospheric) pressure level (Pamb), (2) experimental data for a rupture of the destructible storage tank,

(3) 5% level of APmax (Pamb + 0.05APmax), (4) approximat-

ing function for the experimental data, (5) point of the start

of measuring the transient-process duration and the steady-state pressure level, and (6) point at which measurements of the transient-process duration and the steady-state pressure level stop.

RESULTS AND DISCUSSION

The result of the experimental test of the degree of the acoustic hermetization of the tested housing is shown in Fig. 5. A balloon made of dense rubber (article no. GM120ASS 1101-0008 14") was used as the destructible storage tank. The shutoff valves provided the air supply from a DV-370-50 compressor, whose output pressure was limited by a reduction gear at a level of 700 kPa. When the storage tank destructed, the pressure supply was stopped by plugging the air valve. The pressure of the inner volume of the tested housing was monitored with an HSCMRNN1.6BASA3 digital pressure sensor with a sampling rate of 2 kHz and an absolute measurement error of ±1%.

Analyzing the experimental data shows that the shock air outflow during the destruction of the storage-tank provokes the beginning of a transient process of establishing the pressure from the (Pamb + APmax) level to the Pamb level (Pamb, Pa, is the constant (atmospheric) pressure; APmax, Pa, is the pressure increase at which the storage-tank is destructed). The destruction of the used tank in a 10-L housing causes a pressure jump at a level of 25 kPa. The transient process is considered to be steady-state when a changing quantity reaches a value that differs from the steady-state value by at most 5% [14]. In this case, the transient process was considered to be over when 95% of the excess pressure escaped from the volume. The experimental data that correspond to the pressure-change range [Pamb + APmax; Pamb] can be described by the following empirical expression (for the approximation confidence R2 = 0.8781):

2

P(t) = 0.01272e"9162t +1.075 x 10Vao3822t. (9)

The intersection of the approximating curve with the straight line that corresponds to the pressure level (Pamb + 0.05APmax) makes it possible to find the point at which the transient process settles, and, correspondingly, to obtain APpa = 0.95APmax and At of the total area of the slits and holes in the studied housing according to (8). The time interval At was ~0.005 s, the pressure leakage value was ~51 kPa (m3/s), which corresponds to a total area of the slits and holes of ~41 cm2 that is equivalent to the degree of the acoustic hermeti-zation AH of «1%.

The pressure-level fluctuations in the remaining part of the transient process can be explained by oscillations of the air mass due to its elastic properties during re-reflections inside the housing, vibrations of the housing walls under the impact effect, and the influence of the operation delay of the pressure-supply shutoff valve.

CONCLUSIONS

In this study, the scientific and technical literature on the influence of environmental noise on the operation of fiber-optic phase measuring systems was reviewed. The main approaches to reducing the sensitivity of the reference arm of fiber-optic interferometers to external acoustic impacts were revealed. It was shown that the use of acoustically conditioned noise-proof housings of devices is a necessary condition for improving the accuracy and performance parameters of interferometer-based fiber-optic measuring systems.

To identify the most important parameters of the housing, a mathematical model was developed that takes such parameters as geometric dimensions, material and thickness of the walls, the coefficient of mechanical loss of the applied viscoelastic layer, the degree of the acoustic hermetization, the area of coverage of the internal volume with sound-absorbing material, and its coefficient of sound absorption, into account. The theoretical dependence of the maximum degree of the acoustic-sensitivity decrease A£case on the degree of the acoustic hermetization of the housing was obtained.

An experimental setup was created for practical applications, and a method was proposed for evaluating the degree of the acoustic hermetization AH of housings based on the application ofthe pressure-increase method using a destructible storage tank made of elastic material, thus making it possible to significantly reduce the requirements for the air-pressure source. The degree ofthe acoustic hermetization of the tested housing was ~1%.

The developed mathematical model and experimental setup can be applied in various fields of science and technology when solving problems of protecting sensitive

components against external acoustic impacts, as well as for the experimental evaluation of the degree of the acoustic hermetization of device housings.

FUNDING

This study was supported by the Ministry of Education and Science of the Russian Federation (Contract no. 07511-2019-026, November 27, 2019).

REFERENCES

1. Fiber Bragg Grating Sensors: Recent Advancements, Industrial Applications and Market Exploitation, Cusano, A., Cutolo, A., and Albert, J., Eds., Hoboken, NJ: Bentham Science Publ., 2011.

2. Hocker, G.B., Appl. Opt., 1979, vol. 18, no. 9, p. 1445.

3. Vlasov, A.A., Aleynik, A.S., Ashirov, A.N., Plotni-kov, M.Yu., and Varlamov, A.V., Tech. Phys. Lett., 2019, vol. 45, no. 8, p. 769. https://doi.org/10.1134/S1063785019080157