Оптоволоконные приёмники звука - приёмники, действие к-рых основано на изменении параметров световода (показателя преломления,
длины, формы и т. п.) под действием звуковой волны и возникающей в результате
этого модуляции характеристик световой волны (фазы, поляризации, амплитуды),
распространяющейся в световоде. В состав О. п. з. входят источник света
(лазер, светодиод), чувствит. элемент - световод и фотоприёмник, регистрирующий
изменения мощности света на выходе световода, либо оптич. система обработки
выходного сигнала. В большинстве конструкций О. п. з. применяется также
акустомеханич. преобразователь, обеспечивающий заданный характер деформаций
световода под действием звуковой волны. В соответствии с тем, какой из
параметров света используется для определения характеристик звуковой волны,
О. п. з. подразделяют на интерферометрич., поляризац. и амплитудные.
В приёмниках на основе фазовой модуляции
света приём звука осуществляется с помощью интерферометрич. схем (Маха
- Цендера, Майкельсона, Фабри - Перо и др.) благодаря интерференции световых
волн, по-разному промодулированных звуком. Изменение фазы световой волны
происходит в результате изменения эфф. показателя преломления nэф
и длины световода L под действием звукового давления р:
где
- длина волны света. Простейший приёмник на основе фазовой модуляции света
(рис. 1) представляет собой двухплечевой оптоволоконный интерферометр,
в одном плече к-рого расположен сигнальный световод 4, помещённый
в акустич. поле, в другом - опорный световод 5, изолированный от звука
либо обладающий меньшей чувствительностью к звуковому давлению, что достигается
соответствующим выбором упругих свойств покрытий световода, его длины и
др. Световые волны, выходящие из опорного и сигнального световодов, интерферируют
на фотокатоде, в результате чего мощность света, попадающего на фотоприёмник
6, модулируется
в соответствии с изменяющейся разностью фаз между волнами. На выходе фотоприёмника
при этом наблюдается электрич. сигнал звуковой частоты.
В О. п. з. на основе одноплечевого интерферометра
Фабри - Перо модуляция фазы света в световоде преобразуется в модуляцию
интенсивности благодаря многолучевой интерференции лучей разл. порядков
отражения от торцов световода.
В интерферометрич. О. п. з. применяются
как одномо-довые, так и многомодовые световоды. В приёмниках с многомодовыми
световодами может использоваться также межмодовая интерференция. Оптим.
режим работы приёмника определяется условием
где -
пост. разность фаз интерферирующих волн. Сигнал на выходе приёмника линейно
зависит от звукового давления при условии
1.
Поляризац. модуляция в О. п. з. (рис.
2) имеет место при наличии анизотропных напряжений и деформаций в световоде
4 (закручивание, сжатие, изгиб), к-рые обусловливают двулучепреломление
в одномодовых волоконных световодах. В таком анизотропном оптич. волокне
оказывается возможным распространение двух ортогонально поляризов. световых
волн с разл. фазовыми скоростями. Воздействие акустич. волны на двулучепреломляющий
световод вызывает изменение разности фаз между ортогонально поляризов.
модами, к-рое преобразуется с помощью поляризац. анализатора 6 в
модуляцию интенсивности света на фотоприёмнике 7. Оптим. режим работы и
условие линейности определяются теми же соотношениями, что и для интерферомет-рпч.
приёмников. В поляризац. приёмниках широко применяются акустомеханич. преобразователи
в виде цилиндра
5 из упругого материала (резины, пластмасс и т.
п.), на к-рый навит чувствит. элемент - одномодовый световод 4.
Рис. 1. Приёмник звука с интерферометром
Маха - Цендера: 1 - лазер, 2 - микрообъективы;
3 - ответвители;
4 - сигнальный световод на катушке; 5 - опорный световод;
6
- фотоприёмник.
Рис. 2. Поляризационный приёмник звука: 1 - лазер; 2 - четвертьволновая пластина; 3 - микрообъективы; 4 - световод; 5 - упругий цилиндр; S - поляризационный анализатор; 7 - фотоприёмники.
Модуляция спета в амплитудных приёмниках связана, как правило, с появлением под действием звука дополнит. потерь оптич. мощности (на изгибах и микроизгибах световода, вследствие изменения числовой апертуры световода, в результате дифракции света на звуке достаточно высоких частот и др.). В приёмниках этого типа применяются как одномодовые, так и многомодовые световоды. Наиб. типичный акустомеханич. преобразователь 4 амплитудного приёмника (рис. 3) представляет собой две зубчатые пластины, между к-рыми помещён волоконный световод. Воздействие звукового давления на пластины вызывает изменение расстояния между ними и соответственно изменение профиля изгиба световода, что приводит к модуляции потерь оптич. мощности в световоде. Чувствительность приёмника зависит от профиля показателя преломления световода, формы изгиба и распределения энергии по модам. Использование пространственных фильтров позволяет возбуждать и детектировать заданные моды и перестраивать таким образом чувствительность приёмника.
Рис. 3. Амплитудный приёмник звука: 1 - лазер; 2 - объективы; 3 - световод; 4 - акустомеханический преобразователь - зубчатые пластины; 5 - фотоприёмник.
Акустич. преобразование в чувствит. элементе О. п. з. удобно характеризовать параметром представляющим относит. изменение мощности света I на выходе световода под действием звукового давления, приведённое к единице длины световода и единице давления:
Этот параметр определяет чувствительность
О. п. з. М [мкВ/Па], к-рая обычно пропорц. длине световода L и
мощности источника света. Наиб. высоким значением
характеризуются, как правило, интерферометрич. приёмники. Напр., для приёмника
на основе интерферометра Маха - Цендера с чувствит. элементом в виде кварцевого
световода с полиамидным покрытием, навитого на цилиндр из полиуретана,
значение
= 10-1 - 10-2 рад/м х Па. Соответствующий параметр
О. п. з. на основе поляризац. модуляции в том же чувствпт. элементе прибл.
на два порядка меньше.
Достоинствами О. п. з. являются слабая
подверженность влиянию эл--магн. помех, относительно высокая чувствительность
и большой динамич. диапазон, возможность стыковки с системами оптич. обработки
информации и относит. простота способов построения приёмников с распределёнными
параметрами. О. п. з. находят применение в качестве гидрофонов, микрофонов, виброметров.
Порог чувствительности, т. е. мин. звуковое давление, обнаруживаемое на
фоне собств. шумов, для большинства О. п. з. сопоставим с порогом слышимости
(см. Пороги слуха)и уровнем шумов океана и составляет ~ 0 - 40
дБ относительно 1 мкПа/Гц1/2. При этом характерный
динамич. диапазон большинства О. п. з. составляет 110 - 130 дБ. Осн. вклад
в собств. шумы О. п. з. дают дробовой эффект в фотоприёмнике и шумы источника
света (частотные и амплитудные). Последние преобладают на НЧ (десятки,
сотни Гц). Значит. влияние на параметры О. п. з. могут оказывать температурные
и вибрац. внеш. воздействия. Они, в частности, вызывают нарушение оптим.
режима работы и наиб. существенны для интерферометрич. О. п. з. Температурный
коэф. изменения фазы света в кварцевом световоде составляет ~100 рад/м
х град и превышает соответствующий коэф. поляризац. приёмников на 2 - 3
порядка.
Для уменьшения влияния флуктуаций параметров
световода из-за внеш. воздействий применяют металлизиров. покрытия световодов,
эл--механич. и эл--оптич. системы, изменяющие длину опорного плеча, системы
оптич. обработки сигнала на основе методов динамич. голографии в фоторефрактивных
средах.
Ю. Ю. Смирнов
Дело в том, что в его постановке и выводах произведена подмена, аналогичная подмене в школьной шуточной задачке на сообразительность, в которой спрашивается:
- Cколько яблок на березе, если на одной ветке их 5, на другой ветке - 10 и так далее
При этом внимание учеников намеренно отвлекается от того основополагающего факта, что на березе яблоки не растут, в принципе.
В эксперименте Майкельсона ставится вопрос о движении эфира относительно покоящегося в лабораторной системе интерферометра. Однако, если мы ищем эфир, как базовую материю, из которой состоит всё вещество интерферометра, лаборатории, да и Земли в целом, то, естественно, эфир тоже будет неподвижен, так как земное вещество есть всего навсего определенным образом структурированный эфир, и никак не может двигаться относительно самого себя.
Удивительно, что этот цирковой трюк овладел на 120 лет умами физиков на полном серьезе, хотя его прототипы есть в сказках-небылицах всех народов всех времен, включая барона Мюнхаузена, вытащившего себя за волосы из болота, и призванных показать детям возможные жульничества и тем защитить их во взрослой жизни. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.