(57)【要約】  本発明は、機械的構造内に収容される光学ハイドロホン、レーザキャビティを形成する光ファイバ要素からなり、機械的構造は、開放剛性円筒体を備え、流体を封入するキャビティを画定し、内部に光ファイバ要素が収容され、端部において２つの端部キャップにより閉じられ、端部キャップは、キャビティ内部の長手方向直線位置において、光ファイバ要素に永久的に張力がかかった状態を保つ。端部キャップは、外圧が変動する場合、端部キャップが変形を受けて、光ファイバ要素の長さの変動を生じさせるとともに、温度が変動する場合、端部キャップが変形を受けて、光ファイバ要素の長さ変動を生じさせ、その長さ変動が、温度変動によりこの要素に誘導される変動を補償するように構成される。機械的構造は、静圧の平衡化を可能にする１つ又は複数のオリフィスをさらに示す。
2014519014.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザキャビティを形成する光ファイバに内接するブラッグ格子を有するアクティブ光ファイバ要素（１２）を備えるタイプのレーザキャビティハイドロホンであって、流体が充填されたキャビティ（１１）を形成する機械的構造を備え、前記キャビティ（１１）内部に、前記光ファイバ要素（１２）が前記キャビティの長軸に沿って配置され、前記機械的構造が、
−前記光ファイバ要素（１２）が内部に配置される前記キャビティ（１１）を形成する略円筒形中空剛性体（１３）と、
−前記剛性体（１３）の端部を封止するように構成され設計されるとともに、前記光ファイバ要素（１２）が横切る２つの端部キャップ（１４、１５）であって、前記光ファイバ要素（１２）が、横切るポイントの高さで前記端部キャップ（１４、１５）に固定されて、前記光ファイバ要素（１２）に永久的に張力がかかり、
前記２つの端部キャップ（１４、１５）のそれぞれが、前記剛性体（１３）にしっかりと結合される部分及び前記ハイドロホンが浸漬される外部媒質により及ぼされる圧力変動を受けた場合に変形可能な変形可能壁（２２）を備える可動部を示し、前記端部キャップの前記変形が、前記光ファイバ要素（１２）の長さを変動させ、前記変形可能壁（２２）が、前記キャビティの内部に向けられる内面（２２１）及び前記キャビティの外部に向けられる外面（２２２）を示し、前記変形可能壁（２２）が、前記ハイドロホンが浸漬される前記外部媒質の温度変動の影響下で、その内面（２２１）が前記キャビティの長軸に沿って前記剛性体（１３）に対して並進移動するように構成され、前記並進移動は、前記光ファイバ要素（１２）の長さを変動させ、前記長さの変動は少なくとも部分的に、これらの温度変動の結果としての前記レーザキャビティの放射周波数の変動を補償する、２つの端部キャップ（１４、１５）と、
−前記キャビティ（１１）と前記外部媒質との連通を可能にするとともに、前記外部媒質と前記キャビティ（１１）に含まれる前記流体との間で静圧の平衡を達成するように構成される貫通オリフィス（１６）と、
をさらに備える、レーザキャビティハイドロホン。
【請求項２】
前記変形可能壁（２２）は、前記ハイドロホンが浸漬される前記外部媒質の温度変動の影響下で、前記剛性体（１３）に対して並進移動可能である、請求項１に記載のハイドロホン。
【請求項３】
中空体形を示す前記端部キャップは、一端部において開放され、前記円筒体は、前記キャビティ内に挿入されて、前記キャビティの端部を封止するように構成され、前記端部キャップは、側壁（２１）及び前記キャビティの長軸に直交し、前記円筒体内に挿入される前記端部キャップの端部を封止する弾性端壁を示し、前記弾性端壁は前記変形可能壁（２２）であり、前記側壁（２１）はセグメントＣを備え、前記セグメントＣでは、材料の厚さは、前記端部キャップ（１４、１５）の前記側壁（２１）が、温度変動の作用下で長手方向において自在に変形可能なように定義される、請求項２に記載のハイドロホン。
【請求項４】
前記剛性体（１３）及び前記２つの端部キャップ（１４、１５）が、前記ハイドロホンが、寄生加速度の影響の受けやすさを最小に抑えるように配置された対称面を示すように構成されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の光学ハイドロホン。
【請求項５】
前記剛性中空体（１３）の寸法が、形成される前記キャビティ（１１）が前記光ファイバ要素（１２）を収容することができるように定義され、前記端部キャップの寸法に関して、前記端部キャップ（１４、１５）が、前記外部媒質により及ぼされる圧力の動的変動の作用下で、前記光ファイバ要素（１２）に長さ変動を生じさせるのに十分な変形を受け、前記長さ変動により、圧力の動的変動に対する前記ハイドロホンの所望の感度を得ることが可能であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の光学ハイドロホン。
【請求項６】
前記貫通オリフィス（１６）の寸法、長さｌｈｏｌｅ、及び断面積Ｓｈｏｌｅが、前記ハイドロホンキャビティに含まれる前記流体の粘度に関して、前記キャビティが、容積ＶＣａｖｉｔｙに関して、これらの変動の周波数の関数として感度が略一定の所与の圧力変動周波数範囲（５３）を示す圧力変動の感度変動法則を示すように決定され、この周波数範囲が、前記キャビティ（１１）の前記機械的共振ピーク（５２）に対応する前記周波数Ｆ２の前に配置されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の光学ハイドロホン。
【請求項７】
前記キャビティに含まれる前記流体が、もしあるとしても極わずかな粘性を有する場合、前記貫通オリフィス（１６）の寸法は、前記ハイドロホンの前記キャビティの感度が略一定である前記圧力の変動周波数範囲（５３）が、前記周波数Ｆ２と、
【数１】
2014519014.tif 000022
により定義される前記キャビティのヘルムホルト周波数ｆＨに等しい周波数Ｆ１における共振ピーク（５１）との間にあるように決定され、式中、ｃが考慮される前記流体内の音波の速度を表し、前記周波数ｆＨが可能な限り低いことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の光学ハイドロホン。
【請求項８】
前記キャビティ（１１）に含まれる前記流体が粘性を有する場合、前記貫通オリフィス（１６）の寸法は、前記ハイドロホンの前記キャビティ（１１）の感度が略一定である前記圧力の変動周波数範囲（５３）が、前記周波数Ｆ２と、関係：
【数２】
2014519014.tif 000023
により定義される前記キャビティの前記遮断周波数ｆｐに等しい周波数Ｆ１との間にあるように決定され、式中、ρが前記流体の濃度を表し、ｃが前記流体内の音波の速度を表し、Ｒｈｏｌｅが前記オリフィス（１６）の半径を表し、前記周波数ｆｐが可能な限り低いことを特徴とする、請求項６に記載の光学ハイドロホン。
【請求項９】
前記側壁（２１）が第１のセグメントＢを備え、前記第１のセグメントＢにおいて、前記壁を構成する材料の厚さが、前記端部キャップの前記側壁（２１）が前記剛性体（１３）の内壁に密に接触して、前記剛性体（１３）と前記端部キャップ（１４、１５）との間に剛性リンクを保証するように決定されることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の光学ハイドロホン。
【請求項１０】
前記端部キャップの前記側壁が、端部セグメントＡをさらに備え、前記端部セグメントＡの厚さが、前記端部キャップ（１４、１５）が前記剛性体（１３）に配置される場合、前記剛性体（１３）の前記端部に当接するショルダを画定することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の光学ハイドロホン。
【請求項１１】
前記キャビティ（１１）の寸法並びに前記剛性体（１３）及び前記端部キャップ（１４、１５）を構成する材料の性質が、可能な限り最高の周波数Ｆ２を得るように決定されることを特徴とする、請求項６〜９のいずれか一項に記載の光学ハイドロホン。
【請求項１２】
前記光ファイバ要素（１２）を収容する前記キャビティ（１１）が、気泡発泡体を含み、前記発泡体に前記キャビティ（１１）内に含まれる前記流体が浸され、前記発泡体を構成する材料が、前記光ファイバ要素（１２）の固有共振モードを減衰させるように定義されることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の光学ハイドロホン。
【請求項１３】
前記貫通オリフィス（１６）が、前記剛性体（１３）の前記壁を通って作られる円形オリフィスであることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の光学ハイドロホン。
【請求項１４】
前記貫通オリフィス（１６）が、端部キャップ（１４、１５）の前記側壁（２１）の厚さにおいて長手方向に作られる円形オリフィスであることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の光学ハイドロホン。
【請求項１５】
前記剛性体（１３）又は前記端部キャップが全体的又は部分的に、多孔質材料から作られ、前記貫通オリフィス（１６）が前記材料の孔からなることを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の光学ハイドロホン。
【請求項１６】
前記可動部の長さｘが以下の関係：
【数３】
2014519014.tif 000024
により定義され、式中、Ｌｆｉｂｅｒが前記ファイバの長さであり、αｔｕｂｅ及びαｐｉｓｔｏｎが、前記円筒体（１３）及び前記端部キャップ（１４、１５）、又は少なくとも自由断面Ｃのそれぞれを構成する材料の熱膨脹係数を表し、ｎが前記キャビティのインデックスを表し、ｄｎ／ｄＴが、温度単位当たりの前記キャビティのインデックスの変動を表すことを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の光学ハイドロホン。
【請求項１７】
前記端部キャップが、前記端部キャップを作る材料に関して、前記キャビティの軸に沿った前記端部キャップ（１４、１５）の前記変形可能壁（２２）の前記内面（２１）の変位が、前記光ファイバ要素（１２）の長さを変動させ、この長さ変動が、前記温度変動の結果としての前記レーザキャビティの放射周波数の変動を実質的に補償するように寸法決めされることを特徴とする、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の光学ハイドロホン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水中音響トランスデューサ又はハイドロホンの全般分野に関する。本発明は特に、光ファイバレーザに基づく光学ハイドロホンに関する。
【背景技術】
【０００２】
水中音響トランスデューサの製造に関して、光ファイバの使用が、広く認められている利点を示す既知の解決策であり、広く認められている利点はまず、そのような技術を使用して嵩の小さなハイドロホンの製造並びにそれぞれに所与の波長が関連付けられた、ハイドロホン組立体を形成する様々なハイドロホンにより検出される圧力変動情報を全く同一のファイバに多重化することにより、この同じファイバに基づいてハイドロホンの組立体を製造可能なことを含む。
【０００３】
しかし、通常はクヌーセン尺度で海況雑音０を下回るレベルである非常に低いレベルの音響信号を検出することができるのに十分な感度を得るために、圧力波により生じる光ファイバの歪みを、適切な音弾機械的装置により増幅する必要があることが分かっている。
【０００４】
現在、海況雑音０を下回る雑音レベルを検出可能であり、したがって、潜在的にハイドロホン又は水中用途でハイドロホンを使用するアンテナに使用可能な２つの主なクラスの光ファイバハイドロホン：光ファイバコイル干渉ハイドロホン及び光ファイバレーザキャビティハイドロホンが存在している。
【０００５】
光ファイバコイル干渉ハイドロホンでは、測定される光学量は、測定すべき音圧の影響下で直径が変動し、それにより、巻かれた光ファイバの長さを動的に変動させるように構成された可撓性マンドレル、例えば、エアマンドレルに巻かれた光ファイバの全長（通常、２０ｍ〜１００ｍ）にわたって集計される光学位相変動である。
【０００６】
光ファイバの長さの動的変動は、ファイバにより搬送される信号の位相の変動により示される。したがって、標準シングルモードシリカ光ファイバの場合、信号の位相の相対変動が、ファイバの長さの相対歪みの約０．７８倍に等しいことが示され得る。この位相変動は、例えば、マイケルソン型の非平衡光ファイバ干渉計のアームにハイドロホンを配置することにより、必要な精度で測定し得る。
【０００７】
この種のハイドロホンは、十分に小型化することができないという主な欠点を示す。実際に、アレイを構成する各ハイドロホンにより実行される圧力測定に関する情報を伝送するために、当業者に周知の様々な呼び掛け及び多重化技法を実施し得る。それらの技法の目的は、単一の光ファイバを用いて、全く同一のアレイ内の関連付けられたすべてのハイドロホンを、これらの測定の利用料金が課されるシステムにリンクできるようにすることである。しかし、多数のハイドロホンを単一の光ファイバで多重化するには、光ファイバに沿った挿入損失を低く、通常は１ｄＢ未満にする必要がある。これは、各ハイドロホンで、光ファイバが、最小直径を示すマンドレルに巻かれて、ファイバの湾曲に関連する損失を最小に制限することを暗示する。現在、非常に低い許容湾曲半径を有する微細構造化光ファイバ（ＦＴＴＨ用途のファイバ）を使用することによってさえも、実質的に１５ｍｍ〜２０ｍｍの巻き直径で、感度及び挿入損失に関して良好な性能を達成することは難しい。
【０００８】
さらに、アレイを構成する各ハイドロホンが単純な圧力値を測定する場合、ハイドロホンアレイに、音圧を受けず、静圧及び温度への光ファイバコイルの固有感度の変動を減算により回避する１つ又は複数の光ファイバコイルリファレンスセンサを導入する必要がある。この手順は、さらなるセンサを追加する必要があり、ハイドロホンの使用分野を浸漬に制限する（センサのダイナミックレンジが制限される）という欠点を示す。
【０００９】
光ファイバレーザキャビティハイドロホンでは、高感度、すなわち、低レベルのシーノイズを検出可能なハイドロホンを製造することができる。光ファイバレーザキャビティハイドロホンの実施により、コヒーレント光学処理技法を利用して、ファイバにより搬送される光信号の周波数変動を精密に測定することが可能である。そのような変動は、ここでは、アクティブ光ファイバ、例えば、約１．５μｍ放射用のエルビウム又はエルビウム／イットリウムドープ光ファイバに内接するブラッグ格子による音響信号の受信の結果である。
【００１０】
既知のように、ブラッグ格子は、中心近傍に、πに略等しい位相跳躍を含み、モノ周波数レーザキャビティを構成し、キャビティの光ポンプは、標準光ファイバを介して長距離離れて配置し得るダイオード（ポンピングダイオード）により達成される。そうして構成されるレーザキャビティの放射周波数は、ブラッグ格子の間隔及び位相シフトの中心位相に依存する。したがって、レーザキャビティが均一に歪む場合、レーザの放射周波数は、ファイバを構成するシリカの弾性光学性に関連する係数０．７８と同じ割合で変動する。
【００１１】
したがって、アクティブ光ファイバのドープ材料の増幅帯にある異なる動作波長を示すレーザキャビティを有するいくつかのハイドロホンを波長多重化することができ、例えば、エルビウムドープファイバの場合、エルビウムのＣ帯の１００ＧＨｚ  ＩＴＵ格子にある波長を示すレーザキャビティを有する約４０個のハイドロホンを波長多重化することができる。
【００１２】
しかし、レーザキャビティの外面に直接印加される音圧により生じる軸方向変形は、呼び掛けシステムの雑音を制限するレーザの固有雑音
【数１】
2014519014.tif 000003
のＰＳＤ（電力スペクトル密度）に関して、海況雑音０未満のレベルに匹敵するハイドロホン感度を得るには十分ではない。実際には、約１０Ｈｚ〜１０ｋＨｚ帯においてクヌーセン尺度で海況雑音０を検出可能であるには、少なくとも１００ｄＢ  Ｈｚ／Ｐａ又は１１０ｄＢ  Ｈｚ／Ｐａよりも大きなハイドロホン感度を有する必要があることを示すことが可能である。
【００１３】
したがって、音弾機械的装置により、音圧により生じるキャビティの変形を増幅する必要がある。変形に対するレーザキャビティの固有感度に関して、音弾機械的装置の達成すべき目的は、広い周波数帯で安定した応答を有するナノ歪み／Ｐａのオーダのものである。いくつかの既知の構成では、これらの値を達成することが可能である。それにも拘わらず、これらのすべての構成において、ハイドロホンは本質的に、嵩張る静水フィルタを関連付けずには、静圧の影響の受けやすさと共に、少なくともレーザキャビティの温度に等しい温度の影響の受けやすさを保持する。
【００１４】
したがって、従来技術の現在の状況では、これらの２つのクラスの一方又は他方に属する技術的解決策では、本質的に、光ファイバハイドロホンが、音圧の変動及び温度の変動の影響を受けないことを保証することができない。現在、変動する環境状況（浸漬及び温度、加速度の変動）下でのハイドロホンの動作は実際に、ハイドロホンの挙動が実際に浸漬深度、言い換えれば静圧、温度、及び加速度から独立する場合のみ可能である。
【００１５】
さらに、センサアレイの場合、安定した呼び掛け波長を示す音響センサを有し、多重化により単一の光ファイバを介して様々なセンサにアクセス可能であるとともに、単純に光ファイバの受動構成要素を使用することにより、様々なセンサにより送信される圧力に関する情報の波長多重化及び逆多重化を実行可能なことも非常に重要である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明の目的は、本質的に、静圧及び温度の変動の影響を受けず、非常に良好なハイドロホン感度を有する光学ハイドロホンの製造が可能な構造を提案することである。本発明の別の目的は、低体積を示す構造を提案することである。さらに別の目的は、広い周波数帯且つ加速度の影響の受けやすさが非常に低い状態で非常に深い浸漬まで満足のいくように動作可能な光学ハイドロホンを製造可能な構造を提案することである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
このために、本発明の主題は、レーザキャビティを形成するブラッグ格子光ファイバ要素を備えるタイプのレーザ光学キャビティハイドロホンである。前記ハイドロホンは、流体が充填されたキャビティを形成する機械的構造を備え、キャビティ内には、光ファイバ要素がキャビティの長軸に沿って配置され、機械的構造はさらに、
−光ファイバ要素が内部に配置されるキャビティを形成する、略円筒形の中空剛性体と、
−剛性体の両端部を封止するように構成され設計され、光ファイバ要素が横断する２つの端部キャップであって、前記光ファイバ要素は、横断ポイントの高さにおいて端部キャップに固定されて、永久的にピンと張られる、２つの端部キャップと、
を備える。
【００１８】
本発明によれば、２つの端部キャップが作られる材料に関して、２つの端部キャップは、
−端部キャップの変形が、光ファイバ要素の長さを変動させる、ハイドロホンが浸漬される外部媒質により及ぼされる圧力の変動、
−端部キャップの変形が、光ファイバ要素の長さを変動させる、ハイドロホンが浸漬される外部媒質の温度の変動であって、これらの温度変動の結果としてのレーザキャビティの放射周波数の変動を補償する、外部媒質の温度の変動
を受けた場合、長手方向変形を示すように構成される。
−キャビティと外部媒質とを連通させるとともに、外部媒質とキャビティ内に含まれる流体との間で静圧平衡を達成するように構成される貫通オリフィス。
【００１９】
好ましい実施形態によれば、剛性体及び２つの端部キャップは、ハイドロホンが、寄生加速の影響の受けやすさを最小に抑えるように配置される対称面を示すように構成される。
【００２０】
特定の実施形態によれば、剛性中空体の寸法は、形成される機械的キャビティが光ファイバ要素を収容することができ、寸法に関して、端部キャップが、外部媒質により及ぼされる圧力の動的変動の作用下で、光ファイバ要素に長さの変動を生じさせるのに十分に変形され、圧力の動的変動に対してハイドロホンの所望の感度を得ることができるように定義される。
【００２１】
別の特定の実施形態によれば、貫通オリフィスの寸法、長さｌｈｏｌｅ、及び断面Ｓｈｏｌｅは、ハイドロホンキャビティ内に含まれる流体の粘度に関して、ハイドロホンキャビティが、容積Ｖｃａｖｉｔｙに関して、圧力変動の所与の周波数の広がり略一定の感度を示す、圧力変動の影響の受けやすさの変動法則を圧力変動の周波数の関数として示すように決定され、この周波数の広がりは、キャビティの機械的共振ピークに対応する周波数Ｆ２の前に配置される。
【００２２】
キャビティ内に含まれる流体が、仮にあったとしても極わずかな粘性しか有さない前実施形態の一変形によれば、貫通オリフィスの寸法は、周波数Ｆ２と周波数Ｆ１における共振ピーク（５１）との間にある、ハイドロホンのキャビティの感度が略一定である圧力の変動の周波数の範囲が、関係： 
【数２】
2014519014.tif 000004
により定義されるキャビティのヘルムホルツ周波数ｆＨに等しくなるように決定され、式中、ｃは考慮される流体内の音波の速度を表し、
周波数ｆＨは可能な限り低い。
【００２３】
キャビティに含まれる流体が粘性を有する前実施形態の別の変形によれば、貫通オリフィスの寸法は、周波数Ｆ２と周波数Ｆ１との間にある、ハイドロホンのキャビティの感度が略一定である圧力の変動の周波数の範囲が、関係：
【数３】
2014519014.tif 000005
により定義されるキャビティの遮断周波数ｆｐに等しくなるように決定され、式中、ρは流体の濃度を表し、ｃは流体内の音波の速度を表し、Ｒｈｏｌｅはオリフィスの半径であり、周波数ｆｐは可能な限り低い。
【００２４】
特定の実施形態によれば、剛性体により構成されるキャビティを閉じる２つの端部キャップは、一端部において開放された中空円筒形を有し、上記円筒形は、キャビティに挿入されて、キャビティの端部を封止するように構成され、略円筒形の側壁及びキャビティの長軸に垂直な、円盤形の弾性端壁を示し、円筒体に挿入された端部キャップの端部を封止し、弾性端壁は、外部媒質により及ぼされる圧力変動の作用下で変形するように構成され、側壁は少なくとも２つのセグメント：
−壁を構成する材料の厚さが、端部キャップの側壁が剛性体の内壁としっかりと（漏れない）接触して、剛性体と端部キャップとのしっかりとしたリンクを保証するように決定される、第１のセグメントＢ、
−材料の厚さが、端部キャップの側壁が、温度変動の作用下で長手方向に自在に変形することができるように定義される、第２のセグメントＣ
を備える。
【００２５】
前実施形態の一変形によれば、端部キャップの側壁は、端部キャップが剛性体に配置された場合、厚さが剛性体の端部に当接するショルダを画定する端部セグメントＡをさらに備える。
【００２６】
特定の実施形態によれば、キャビティの寸法並びに剛性体及び端部キャップを構成する材料の性質は、可能な限り高い周波数Ｆ２を得るように決定される。
【００２７】
特定の実施形態によれば、光ファイバ要素を収容するキャビティは、気泡発泡体を含み、上記発泡体はキャビティに含まれる流体が浸され、発泡体を構成する材料は、光ファイバ要素の固有振動モードを減衰させるように定義される。
【００２８】
特定の実施形態によれば、貫通オリフィスは、剛性体の壁を通して作られる円形オリフィスである。
【００２９】
別の特定の実施形態によれば、貫通オリフィスは、端部キャップの側壁の厚さにおいて長手方向に作られる円形オリフィスである。
【００３０】
別の特定の実施形態によれば、剛性体はチタン又はガラスで作られる。
【００３１】
別の特定の実施形態によれば、端部キャップは、ＰＰＯプラスチック又はポリオキシメチレン（ＰＯＭ）若しくはポリホルモアルデヒドで作られる。
【００３２】
別の特定の実施形態によれば、剛性体又は端部キャップは全体的又は部分的に多孔性材料から作られ、貫通オリフィスは材料の孔からなる。
【００３３】
本発明の特徴及び利点は、添付図により支持される、本発明の範囲を限定しない以下の特定の例示的な実施形態の説明により、よりよく理解されるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明によるハイドロホンの全体構造を提示する概略図。
【図２】本発明によるハイドロホンの端部を構成する端部キャップの全体構造を提示する概略図。
【図３】外部媒質により及ぼされる圧力の動的変動の作用下にある、本発明によるハイドロホンの挙動を提示する図。
【図４】外部媒質により及ぼされる圧力の動的変動の作用下にある、本発明によるハイドロホンの挙動を提示する図。
【図５】外部媒質により及ぼされる圧力の変動の周波数の関数として、本発明によるハイドロホンの感度の変動法則の形態を表す曲線。
【図６】ハイドロホンのキャビティに含まれる流体の圧縮性の関数として、本発明によるハイドロホンの感度の変動の形態を表す曲線。
【図７】特定の実施形態における本発明によるハイドロホンの構造を提示する図。
【図８】特定の実施形態における本発明によるハイドロホンの構造を提示する図。
【発明を実施するための形態】
【００３５】
続く説明は、本明細書では、本発明の範囲又は広がりを限定しない例示的な実施形態として解釈される好ましい実施形態を通して、本発明による光学ハイドロホンの特徴を提示する。この特定の実施形態の構造並びにその動作原理の説明は、特に図１〜図６に示される。
【００３６】
本発明によるハイドロホンは、キャビティ１１を画定する機械的保護構造を備え、キャビティ１１内にブラッグ格子光ファイバ要素１２が配置される。保護機能に加えて、このキャビティは、既知のように、外部媒質により及ぼされる動的圧力により光ファイバ要素１２に課される軸方向変形を増幅する機能も有する。
【００３７】
既知のように、ハイドロホンの感知部を形成するブラッグ格子光ファイバモノ周波数レーザキャビティを構成する光ファイバ要素１２は、３つの別個の機能を満たす：
−センサの主要要素を構成する光ファイバキャビティの伸張及び／又は収縮により、軸方向弾性変形に関連付けられた、レーザキャビティの放射周波数の変動を利用する圧力センサ機能、
−測定値を搬送する光信号を伝送する機能、
−ハイドロホンの能動部である、光ファイバ要素１２により構成されるブラッグ格子により与えられる波長選択性による多重化機能。
【００３８】
本文において、以下、使用される光ファイバモノ周波数レーザキャビティの特徴が既知の領域にある場合、光ファイバ要素１２を封入する本発明によるハイドロホンのキャビティ１１を形成する機械的構造の技術的特徴についてより具体的に説明する。
【００３９】
したがって、一般的な視点から、図１及び図２に示されるように、本発明による光学ハイドロホンは、各側で端部キャップ１４又は１５により閉じられる円筒形１３の剛性体を備える機械的構造からなる。
【００４０】
一般に本発明の枠組み内で、円筒形という表記は、その最も一般的な定義で考えられる。本明細書では、円筒形の数学的定義を考慮し、円筒形は、例えば、多角形ベースの場合は直角柱であり、円形ベースの場合には回転柱であることが可能である。
【００４１】
しかし、寄生横方向加速度の影響の受けやすさを最小に抑えるために、この種の加速度に対して特定の影響の受けにくさを与える軸対称性により、回転柱を使用することが好ましい。さらに、ファイバに直交する円柱体の対称面の存在により、回転柱の使用により、寄生軸方向加速度の影響の受けやすさを最小に抑えることも可能である。
【００４２】
したがって、好ましい実施形態では、剛性体は、生成する直線が光ファイバの軸である軸対称円柱である。
【００４３】
あるいは、別の実施形態では、剛性体は双曲面又は一般化楕円面である。さらに、回転柱の場合のように、軸対称性幾何学的形状により、寄生横方向加速度の影響の受けやすさを最小に抑えることが可能である。
【００４４】
したがって、Ｏがファイバの中心であり、（Ｏｚ）がファイバの軸である正規直交枠（Ｏｘｙｚ）を定義する場合、双曲面又は回転楕円面を定義する一般式：
【数４】
2014519014.tif 000006
が得られ、ｆは真に正である関数である。
【００４５】
ｚ＝０が対称面である場合、寄生軸方向加速度の影響の受けやすさを最小に抑えることが可能である。したがって、関数ｆは偶数関数でなければならない。
【００４６】
端部キャップ１４及び１５は、媒質により及ぼされる圧力の変動の作用下での変位、変形が、キャビティ１１の容積並びにこのキャビティ内に収容されるブラッグ格子光ファイバ要素１２の長さを変動させる、円筒体の２つの端部に配置される２つのピストンを形成するように構成される。
【００４７】
ハイドロホンの能動部を形成する光ファイバ要素１２は、キャビティ１１を画定する円筒体１３の中心軸に沿って配置される。したがって、光ファイバ要素１２は、端部キャップ１４及び１５の壁を通過することにより、キャビティ１１に入出し、光ファイバ要素１２は、端部キャップ１４及び１５の壁に、ハイドロホンが組み立てられる際、プレテンションを受けるように固定される。このようにして、媒質により及ぼされる圧力の作用下での端部キャップ１４及び１５の変形（変位）は、キャビティ１１に封入された光ファイバ要素１２の長さを系統的に変動させる。
【００４８】
本発明による装置は、１つ又は複数の貫通オリフィス１６も備え、貫通オリフィス１６の機能は、円筒体１３及び２つの端部キャップ１４及び１５により区切られるキャビティ１１内に含まれる内部媒質を外部媒質に永久的に接触させることである。オリフィス１６により、有利なことに、キャビティ１１内外に広がる圧力を平衡させることができ、それにより、装置は静圧の影響を受けない。したがって、静圧はキャビティ１１の内部及び外部で同一であり、端部キャップ１４及び１５により形成されるピストンは、静圧の影響を受けない。したがって、ブラッグ格子光ファイバ要素１２は、端部キャップの部分で、端部キャップに及ぼされる静圧の結果、いかなる応力も受けない。
【００４９】
本発明によれば、形成されるキャビティ１１の寸法特徴並びに端部キャップ１４、１５及び連通オリフィス１６のサイズ及び構成は、以下の機能を実行するように決定される：
−目標とするハイドロホン感度を達成するため、外部媒質により光ファイバ要素１２に及ぼされる動的圧力により生じる変形の十分な機械的増幅、
−所与の遮断周波数未満の周波数の圧力変動の場合、光ファイバ要素１２からなるレーザキャビティを、ハイドロホンを囲む媒質の圧力と平衡圧にすることを目的としたローパス静水フィルタリング、
−温度に伴う光ファイバレーザキャビティ１２の放射周波数の変動の補償、
−装置の対称面が全体として、寄生加速度の影響の受けやすさを最小に抑えることができる。
【００５０】
したがって、本発明によれば、円筒体１３は、圧力の影響下で殆ど変形しないようにする剛性材料で作られる円筒管からなる。
【００５１】
好ましい実施形態では、円筒管はチタンで作られ、チタンはその剛性及び低熱膨張により選ばれる。あるいは、円筒管は、充填流体に適合する任意の適切な剛性材料で作ることもできる。
【００５２】
したがって、剛性構造により、円筒体１３は有利なことに、正味変形に極わずかにしか寄与しない。したがって、円筒体１３は、光ファイバ要素１２により構成される光学キャビティに対して構造が及ぼす変形の増幅に少しも寄与せず、この増幅は端部キャップ１４及び１５により保証される。
【００５３】
一般に一定の円筒体１３の壁の厚さＥも、円筒体が耐える必要がある最大圧力に関して必要な剛性を保証するように定義される。円筒体の長さＬは、円筒体の長さに関する限り、収容する必要がある光ファイバ部の長さにより課され、この長さは、好ましくは、光ファイバ要素１２が、レーザキャビティを形成するブラッグ格子に対応しない単純な光伝導ゾーン１８又は１９において端部キャップ１４及び１５に固定されるのに十分であり、したがって、長さｌ１のブラッグ格子は、端部により端部キャップ１４及び１５に直接固定されない。
【００５４】
円筒体１３の内径Ｄは、円筒体の内径に関する限り、端部キャップ１４及び１５に課される寸法特徴の関数として定義されて、増幅機能及び光ファイバ要素１２により形成される光学キャビティの挙動に対する温度変動の影響の補償機能を満たす。
【００５５】
本発明によれば、端部キャップ１４及び１５は、端部キャップに関する限り、様々な機能：
−円筒体１３を封止するという従来の機能であって、その目的は、内部媒質が、ハイドロホンの構造に作られるオリフィス１６を介してのみ、外部媒質と直接連通するように、キャビティ１１を密閉することである、機能、
−キャビティ１１内に収容された光ファイバ要素、特にレーザキャビティを形成する要素１２をピンと張った状態に保つ機能、
−媒質の温度変動の関数として、光ファイバ要素に与えられる引っ張りを調整する機能、
−ハイドロホンに及ぼされる動的圧力変動の作用下で、キャビティ１１内に収容される光ファイバ要素１２の長さを変更できるようにするピストン機能、を満たすように構成され、圧力の増大は、キャビティ１１の内部に向かう、端部キャップ又は少なくとも端部キャップの内端部の変位として、及び光ファイバ要素１２にかけられる張力の低減として現れ、圧力の低減は、逆の変位として、及び光ファイバ要素１２にかけられる張力の増大として現れる。
【００５６】
したがって、これらの機能を満たすために、端部キャップ１４及び１５の様々な実施形態が考えられ、特に、端部キャップを円筒体１３上の定位置に保持することが意図される、円筒体１３にしっかりと結合される部分と、移動可能又は自在に変形し、取り付けられた光ファイバ要素１２内に移動を制限しながら、キャビティの中心又はキャビティの端部に向かってキャビティ内部を移動することができる部分と、を示す端部キャップを実施する特定の実施形態が考えられる。
【００５７】
したがって、このために、端部キャップ１４及び１５は、例えば、少なくとも部分的に、円筒体１３を構成する材料よりも剛性がはるかに低い弾性材料から、例えば、Ｎｏｒｙｌ（登録商標）タイプのＰＰＯプラスチック又は例えば、Ｄｅｌｒｉｎ（登録商標）タイプのポリオキシメチレン（ＰＯＭ）若しくはポリホルモアルデヒドからなることができる。
【００５８】
図２は、一例として解釈される好ましい実施形態において実施される端部キャップの構造を提示する。
【００５９】
この特定の実施形態では、各端部キャップ１４又は１５は、壁２１を備える中空体により形成される。この壁２１は、用語の数学的意味で円筒形のキャビティ２３を画定する。この円柱形キャビティは、正確に言えば円筒体である場合、一定の内径ｄを示す。円筒形キャビティ２３は、円筒体及び弾性壁Ｄ２２の対称軸に一致する対称軸を示し、弾性壁Ｄ２２は、例えば、円筒形キャビティ１１の対称軸に直交する円盤形であり、キャビティ２３の端部の一方を封止し、他方の端部は開放される。そうして構成される端部キャップは、壁２２により封止される端部によりキャビティ１１内に挿入されることが意図される。中空体及び壁２１は、例えば、用語の数学的意味において円筒体である。
【００６０】
この実施形態によれば、壁２１は、非一定の厚さが本質的に、端部キャップが別個の外径を示す２つの別個のセグメントＢ及びＣを画定する壁である。しかし、この壁は自由セグメントＣのみを備えてもよい。
【００６１】
したがって、端部キャップの壁２１は、第１のセグメントＢを備えることができ、第１のセグメントＢの厚さは、第１のセグメントＢがハイドロホンのキャビティ１１内に挿入される場合、端部キャップの壁が、セグメントＢの高さにおいてハイドロホンのキャビティ１１内の固定位置に保たれるように、例えば密に合わせることにより、第１のセグメントＢの壁が、セグメントＢの高さにおいて、円筒体１３の内壁と密に、好ましくは漏れないように接触するように定義される。
【００６２】
端部キャップの壁２１は第２のセグメントＣも備え、第２のセグメントＣの厚さは、セグメントＢの厚さよりも小さい。このようにして、セグメントＣは、円筒体１３の内壁に接触せず、特に温度変動に応じて、長手方向に自在に伸張又は収縮するように見える。
【００６３】
特定の実施形態によれば、壁２１は端部セグメントＡをさらに備えることができ、端部セグメントＡの厚さは、端部キャップが円筒体１３に配置される場合、円筒体１３の端部に当接するショルダを画定する。
【００６４】
端部キャップが、剛性体１３の幾何学的形状に応じて、円筒形、双曲形、又は楕円形であることができるが、端部キャップが３つのセグメントを示し、セグメントＢが剛性体に密に漏れないように接触し、セグメントＣが温度変動に伴って自在に伸張するとともに、軸上の突出長がｘと、ファイバに直交する壁Ｄ２２との和に等しいことを条件とすることに留意されたい。
【００６５】
言い換えれば、端部キャップは、円筒体１３にしっかりと結合される部分を備える。円筒体１３にしっかりと結合されたこの部分は、部分Ａ及びＢを含むが、端部キャップが円筒体１３にしっかりと結合される場合、異なるように製造することも等しく可能である。
【００６６】
自在に変形することができ、キャビティ内部で移動して、光ファイバ要素１２をその移動に同伴する端部キャップの部分は、部分Ｃを備え、部分Ｃは、温度変動に応じて長手方向において自在に伸張又は収縮する。この部分は膜Ｄも備える。
【００６７】
２つの端部キャップのそれぞれは、実際に、円筒体１３にしっかりと結合された部分と、円筒体１３に対して移動可能であり、ハイドロホンが浸漬される外部媒質により及ぼされる圧力の変動を受けた場合に変形可能な変形可能壁を備える部分と、を示し、端部キャップの変形は、光ファイバ要素１２の長さを変動させる。変形可能壁は、キャビティの内部に向けられ、すなわち、キャビティの内部に面する内面２２１と、キャビティの外部に向けられる外面２２２と、を示す。変形可能壁は、ハイドロホンが浸漬される外部媒質の温度変動の影響下で、内面２２１が、キャビティの長軸に沿って剛性体１３と並進移動可能であるように構成され、並進移動は光ファイバ要素１２の長さを変動させ、長さ変動が少なくとも部分的に、これらの温度変動の結果としてのレーザキャビティの放射周波数の変動を補償する。
【００６８】
各端部キャップの可動部の長さを含む、各端部キャップの可動部の材料及び幾何学的形状は、温度増大の影響下での端部キャップの変形が、２つの端部キャップの間に保持されるファイバの長さを低減させ、長さ低減の影響により、この温度増大の影響下でのファイバの光学指数の増大によるレーザキャビティの放射波長の増大を低減又は実際には相殺するようなものである。
【００６９】
上述した実施形態では、変形可能壁は弾性壁２２である。この壁は、温度変動の影響下で長軸に沿って並進移動可能であり、移動可能な理由は、部分Ｃが、温度変動の影響下で長手方向において自在に収縮又は伸張することができ、それにより、円筒体１３に対して長手方向に弾性壁２２を変位させることができるようにするためである。
【００７０】
端部キャップは異なる様式で作ってもよい。剛性体１３に固定される部分と、キャビティの軸に直交する変形可能壁２２からなる、キャビティの軸に沿って本体１３と並進移動可能な部分と、を示す端部キャップを設計することが可能である。次に、キャビティの軸に沿った内面２２１の並進移動は、変形可能壁の伸張及び収縮により生み出される。
【００７１】
動的視点から、本発明による装置の動作は３つの状態を含む。
−キャビティ内部の圧力及び外部媒質の圧力が同一である、図１に示される静止状態。この状態では、外部媒質及び内部媒質の端部キャップ、特に壁２２に及ぼす拘束は平衡し、いかなる変形も（すなわち、伸張も圧縮も）受けない。
−外部媒質により及ぼされる圧力が高速増大を受けて、図３において矢印３１で示される、結果として生じる圧力を出現させる、図３に示される第１の動的状態。この結果として生じる圧力の影響は、端部キャップ１４及び１５の弾性壁２２の変形を生じさせることであり、この変形は、例としてとられる好ましい実施形態の場合、ハイドロホンのキャビティ内部での端部キャップの弾性壁２２の湾曲Δｘ２として現れる。キャビティの容積の低減を誘導し、その結果、内圧を増大させるこの変形は、内圧及び外圧が再び平衡するまで続く。図３では、端部キャップの初期位置は破線で表される。
−外部媒質により及ぼされる圧力が高速低減を受けて、図４では矢印４１で示される、結果として生じる圧力を出現させる、図４に示される第２の動的状態。この結果として生じる圧力の影響は、端部キャップ１４及び１５の変形を生じさせることであり、この変形は、例としてとられる好ましい実施形態の場合、端部キャップの弾性壁２２の湾曲Δｘ３として現れる。キャビティの容積の増大を誘導し、その結果、内圧を低減させるこの変形は、内圧及び外圧が再び平衡するまで続く。図４では、端部キャップの初期位置は破線で表される。
【００７２】
本発明によれば、光ファイバ要素１２は、上述したように、各端部キャップの壁２２に固定され、壁２２は、ハイドロホンが組み立てられる際、プレテンションを受けるようにキャビティを閉じる。このプレテンションの値は、端部キャップが、外部媒質の圧力増大の作用下で最大伸張を受ける場合であって、この伸張は任意選択的に、温度による長さ変動を伴い集計される、最大伸張を受ける場合、光ファイバ要素１２が収縮するが、それにも拘わらず、残留張力の影響下に留まり、それにより、図３に示されるように、張力下で直線を保つように定義される。したがって、結果として生じる圧力が、ゼロ値（圧力平衡）を通過しながら、考慮される最大値（正）と考慮される最小値（負）との間を変動する場合、光ファイバ要素１２の長さは、平衡時に長さｌ１を通過しながら、最大値ｌ３から最小値ｌ２に変動するが、標的とされる温度範囲内にある温度が何であれ、常に張力下に留まる。
【００７３】
寸法の視点から、本発明による装置は、様々な要件を満たすように定義される。
【００７４】
したがって、円筒体１３の長さＬは、好ましい実施形態では、同時に、構築により与えられるキャビティ内に収容されるブラッグ格子光ファイバ要素１２の長さによって決まるとともに、度合いは低いが、キャビティの共振周波数によって決まる。
【００７５】
したがってここでも、本発明により、装置の静圧の影響の受けにくさを保証するように確立される貫通オリフィス（オリフィス）１６、オリフィスの寸法は、最適な使用周波数範囲、すなわち、装置の感度が予期値に一致する周波数範囲を有するように定義される。
【００７６】
実際には、オリフィス１６の寸法は、オリフィス１６を半径Ｒｈｏｌｅ及び長さｌｈｏｌｅの円筒体になぞらえるとともに、これらの変動の周波数の関数として圧力変動に対するキャビティの感度の変動曲線を考慮することにより決定し得る。
【００７７】
図５の図において気付き得るように、本発明による装置により構成されるようなキャビティは、圧力変動の影響下で、且つオリフィス１６の存在及び特にキャビティ内部の媒質の粘度により、周波数ｆ１及びｆ２において１つ又は複数の共振ピーク５１及び５２を示し、これらの周波数は、同時に、キャビティの容積及び寸法（Ｒｈｏｌｅ及びｌｈｏｌｅ）により定義される。
【００７８】
図５の２つの曲線に示されるように、低周波数での２つの別個の挙動、すなわち、媒質により及ぼされる圧力の低周波変動に直面する２つの別個の挙動は、キャビティ内に含まれる流体の粘度の関数として区別される。破線曲線で示される第１の挙動は、ごくわずかな粘度又は非粘性流体の挙動に対応し、その一方で、実線曲線で示される第２の挙動は、粘性流体の挙動に対応する。第１の挙動は、２つのピーク５１及び５２の存在により現れ、その一方で、第２の挙動は単一のピーク５２の存在により現れる。
【００７９】
粘性が極わずかな流体に関して、ピーク５１は、非常に低い周波数でのキャビティの挙動を、ヘルムホルトキャビティの挙動と見なすことができることを示す。共振ピーク５１は、特にキャビティ内部の流体が非粘性であると見なされる場合、且つ／又は孔の直径が比較的大きく、例えば、約１ｍｍである場合、低周波数変動に対して出現する。これらの低周波の場合、キャビティがヘルムホルトキャビティと同様の挙動を有し、ピーク５１に対応する共振周波数が、キャビティのヘルムホルト共振周波数に近いことが観測される。ここで、ヘルムホルト共振器の場合、キャビティは一般に、ばね質量系でモデリングされ、孔は質量として挙動し、キャビティは剛性の役割を果たす。このモデルによれば、円筒体が剛性であると見なされる場合、共振周波数は以下の関係：
【数５】
2014519014.tif 000007
により定義される。但し、ｍ＝ｍｈｏｌｅ＝ρＳｈｏｌｅｌｈｏｌｅである。
【００８０】
したがって、キャビティを充填する流体の剛性は、関係：
【数６】
2014519014.tif 000008
により、ビームと同様に定義される。
【００８１】
ヘルムホルト周波数の式は、
【数７】
2014519014.tif 000009
である。
【００８２】
より粘度の高い流体に関して、非常に低い周波数でのキャビティは単純に、孔を通るポアズイユ流れによりモデリングされる一次式と見なすことができ、この系は以下の関係：
【数８】
2014519014.tif 000010
を満たし、式中、Ｑは孔を通る流量を表し、ηは流体の粘度であり、ΔＰは孔の高さでのキャビティの内部と外部との圧力差である。
【００８３】
キャビティ内部の圧力は微分式：
【数９】
2014519014.tif 000011
を満たす。
【００８４】
孔、貫通オリフィスを構成する系の遮断周波数ｆｐは、関係：
【数１０】
2014519014.tif 000012
により定義される。
【００８５】
図５に示されるように、粘性流体の場合、中間周波数範囲は、２つの共振ピーク５１と５２との間又は周波数ｆｐ（使用される尺度ではゼロに近すぎるため、図示されていない）と共振ピーク５２の周波数との間に観測され、その間、キャビティは、略一定の無視できない感度を示し、キャビティを使用して、ファイバの固有の変形の増幅器として機能し得る。実際に、第１のピーク５１又は粘性流体の場合には遮断周波数ｆｐの後、オリフィス１６は、まるで封止されており、外圧の変動が、２つの端部キャップ、又はより厳密には自在に変形する端部キャップの弾性壁２２が辿るピストンの移動によってのみ内部媒質に伝達されるかのように挙動し、この移動は、光ファイバ要素１２に伝達される。
【００８６】
ここでは、第２の共振ピークが、２つの端部キャップから発せられる純粋な機械的共振に対応し、したがって、この共振の周波数が本質的に、端部キャップの幾何学的形状に依存することに留意されたい。
【００８７】
したがって、本発明によれば、キャビティの幾何学的形状は、可能な限り広い使用帯を得るように最適化される。言い換えれば、キャビティの幾何学的形状は、第１のピークの周波数ｆ１又は粘性流体の場合では遮断周波数ｆｐが、可能な限り低く、第２のピークの周波数ｆ２が可能な限り高くなるように最適化される。
【００８８】
ここで、ｆＨ及びｆｐの式（関係３及び６参照）に入るパラメータに加えて、キャビティ、ピストン、及び孔、並びにピストン又はキャビティ内部の流体に使用される材料の幾何学的パラメータ等の特定数のパラメータは、これらの共振周波数を変更することができる：２つの周波数、一方ではｆ１又はｆｐ、他方ではｆ２の値に対するハイドロホンの幾何学的形状の影響について他のどこかで行われたパラメトリック研究により、多様な結果を示すことが可能である。
【００８９】
したがって、キャビティを充填する所与の粘度の流体の場合、オリフィス１６の直径が第２のピーク５２の周波数ｆ２に対して大きな影響を有さないことに留意する。他方、第１のピーク５１の周波数ｆ１が、周波数ｆｐと全く同様に、オリフィスの直径に伴って増大することに留意する。したがって、有利なことに、オリフィスの直径を適宜選択することにより、キャビティの周波数ｆ１又はｆｐの値を調整することが可能である。
【００９０】
したがって、オリフィス１６に生じることとは対照的に、キャビティの直径が、一方ではｆ１又はｆｐ及び他方ではｆ２の値に影響することにも留意する。より正確には、ｆ１又はｆｐ及びｆ２の値が、キャビティの直径の関数として、直径が大きくなるほど、すべて低くなる値に向かう同じ方向に変化することに留意する。したがって、有利なことに、キャビティの直径を適宜選択することにより、有用な周波数範囲の位置を調整することが可能である。
【００９１】
さらに、上述したように、しかし、程度は下がるが、キャビティの長さは、周波数ｆ１又はｆｐ及びｆ２の値に同時に影響し、ｆ１又はｆｐ及びｆ２の値が、キャビティの長さが大きくなるほど、すべて小さくなる値に向かって変化することに留意する。
【００９２】
他のパラメータも、程度は下がるが、周波数軸上の位置及びハイドロホンの利用帯の幅に影響し得ることに留意されたい。例えば、本発明により、端部キャップに装置のキャビティを封止させるために使用される材料の弾性又はキャビティ内部の流体の性質に言及することも可能である。しかし、これらのパラメータが装置の他の動作特徴を調整し得る場合、これらは装置の動作範囲の調整に考慮されない。
【００９３】
寸法の視点からも、円筒体１３の直径又はより一般的にはアパーチャは、端部キャップの寸法、特に端部キャップの円筒壁２１の寸法を決定する。
【００９４】
端部キャップの寸法は、端部キャップに関する限り、圧力変動により光ファイバ要素に課される長手方向変形の所望の増幅が得られるとともに、光ファイバ要素の長さｌに対する温度変動の影響を補償するように決定される。
【００９５】
特に、本発明による装置の温度変動の影響の受けにくさは、端部キャップの幾何学的形状を変更することにより達成される。実際に、温度変動は、一方ではファイバ１２内のインデックスの変動を生じさせるとともに、他方では、端部キャップ１４及び１５の長さ変動を生じさせ、端部キャップ１４及び１５の長さ変動により、ファイバ１２の伸張又は収縮が生じる。したがって、所与の端部キャップ材料での端部キャップの寸法の賢明な選択により、温度の関数としてのこの光ファイバ要素の長さ変動による、温度作用下での光ファイバレーザキャビティ１２の放射周波数の変動を厳密又は実質的に補償することが可能である。
【００９６】
したがって、温度変動ΔＴの場合、光ファイバ要素１２のインデックスｎの変動による波長λの変動は、関係：
【数１１】
2014519014.tif 000013
により定義される。
【００９７】
ここで、ファイバの長さＬの変動の関数としての波長λの変動は、関係
【数１２】
2014519014.tif 000014
により定義される。
【００９８】
したがって、インデックスの変動を補償するために、温度変動ΔＴでの長さＬｆｉｂｅｒの変動は、インデックスｎの変動により生じる変動とは逆に波長λを変動させなければならない。したがって、長さＬｆｉｂｅｒの変動は、以下の式：
【数１３】
2014519014.tif 000015
により定義される。ここで、本発明による装置に関して、キャビティを画定する円筒体１３が剛性であり、考慮される温度変動の影響を殆ど受けないと見なされる場合、有利なことに、温度変動ΔＴの影響下での端部キャップの長さ変動の関数として、端部キャップ１４及び１５に固定された、キャビティ内に収容された光ファイバ要素１２が受ける伸張ΔＬｆｉｂｅｒを表すことができるとともに、長さの変動がファイバの長さ変動ΔＬｆｉｂｅｒを生じさせ、それにより、インデックスｎの変動を厳密又は実質的に補償することができるように、適切な様式で、端部キャップの寸法を決めることができる。これはいくつかの方法で達成し得る。本発明の説明のサポートとして機能し、特に図１及び図２に示される好ましい実施形態では、端部キャップの寸法決めは、ΔＬｆｉｂｅｒが以下の関係：
【数１４】
2014519014.tif 000016
により定義されることを考慮することにより実行される。式中、αｔｕｂｅ及びαｐｉｓｔｏｎは、円筒体１３並びに端部キャップ１４及び１５、又は少なくとも端部キャップの自由断面Ｃのそれぞれを構成する材料の熱膨張係数を表し、ΔＴは温度変動を表す。長さｘは可動部の長さであり、ここでは、自由断面Ｃの長さである。
【００９９】
したがって、効率的な温度補償を達成するために、端部キャップの寸法は、長さｘが以下の関係：
【数１５】
2014519014.tif 000017
により定義されるように決定されなければならない。Ｌｆｉｂｅｒがファイバの長さであり、αｔｕｂｅ及びαｐｉｓｔｏｎが、円筒体２１並びに端部キャップ１４、１５、又は少なくとも自由断面Ｃのそれぞれを構成する材料の熱膨張係数を表し、ｎがキャビティのインデックスを表し、ｄｎ／ｄＴが温度単位当たりのキャビティのインデックス変動を表すことが想起される。
【０１００】
この長さｘがΔＴから独立し、使用される材料の性質及び端部キャップ間に固定されるファイバの長さＬｆｉｂｅｒにのみ依存することに留意する。
【０１０１】
一般に、端部キャップは異なる形状を示すことができるが、広い温度範囲で関係９を満たす端部キャップの可動部の材料及び幾何学的形状を見つけることが常に可能である。複雑な幾何学的形状の場合、有限要素手順による三次元熱計算により、端部キャップの可動部の最適な長さに到達することが可能である。
【０１０２】
実施の視点から、長すぎるピストン長を回避するために、有利なことに、上述したように、低い熱膨張を有する材料を円筒体１３の製造に使用するとともに、大きく膨脹する材料を端部キャップ１４及び１５の製造に使用することに留意されたい。例えば、チタンを円筒体（αｔｕｂｅ＝８．６μｍ／ｍ／Ｋ）に選択し、Ｄｅｌｒｉｎ（登録商標）をピストン（αｐｉｓｔｏｎ＝９０μｍ／ｍ／Ｋ）に選択することが可能である。その場合、４．７ｍｍに等しい長さｘが得られ、ファイバ長は４２．５ｍｍである。
【０１０３】
したがって、上述したように、本発明による装置は、構造の視点から、低い膨脹係数を有する剛性材料の円筒体１３と、大きな膨張係数を有する材料の端部キャップ１４及び１５と、を備える装置として定義され、これらの要素は、ブラッグ格子光ファイバ要素１２が収容されるキャビティを画定する。そのように定義され、キャビティを充填する流体から独立して、装置は有利なことに、温度変動及び静圧変動の影響を殆ど受けない。それにより、有利なことに、圧力の動的変動により光ファイバ要素１２に課される長さ変動を増幅することができる。しかし、他のどこかで行われた研究では、キャビティに含まれる流体の性質が、装置の感度を条件付けることが示される。
【０１０４】
実際には、このハイドロホンの感度は幾何学的パラメータに殆ど依存しない。このハイドロホンの感度は主に、使用される流体の圧縮性に依存する。したがって、ハイドロホンのキャビティの充填に、水よりも圧縮性の高い流体を使用することにより、本発明によるハイドロホンの感度を増大させることが可能である。したがって、例えば、水の代わりに油を選ぶことが可能である。図６の曲線は、１ｋＨｚに等しい周波数の圧力の動的変動の場合、キャビティの充填に使用される流体の圧縮性の関数として、本発明による光学ハイドロホンの感度変動の形態６１をとる。
【０１０５】
上記文章においても言及したように、キャビティに収容される光ファイバ要素１２は、張力予歪みを受けるように、端部キャップ１４及び１５に固定され、張力予歪みの値は、外部媒質により課される動的圧力変動が何であれ、且つ温度変動による伸張が何であれ、光ファイバ要素１２への張力が保たれるように定義される。したがって、ファイバ要素１２は、共振周波数が自由長及び線形質量並びに印加される予歪みに依存する振動コードとして挙動する。
【０１０６】
この予歪みの結果は、印加される予歪みに値が直接依存する固有共振周波数が、ファイバ要素１２に与えられることである。ここで、本発明の枠組み内で、ファイバに印加される張力予歪みは、動作温度範囲に直接依存する。実際には、本発明による装置の温度の影響の受けにくさは、波長λが一定に留まるように、ファイバ要素の長さを変更することにより得られる。ファイバの長さの変動は、温度の作用下で、固定される端部キャップの変形、特に軸方向変形によりそれ自体誘導される。
【０１０７】
したがって、同じに固定されるファイバ要素１２に印加される張力Ｆは、ファイバ要素１２の固有の振動モードにわたって保持される。ここで、これらの固有モードのうちの１つ又は複数は、装置の感度が損なわれる、装置の使用範囲にある共振周波数に対応し得る。
【０１０８】
これらの固有モードは、ファイバ要素１２を予歪み状態に保つためにファイバ要素１２に印加される張力Ｆと、この要素により構成される振動コードに沿った変形波の伝播速度を考慮することにより、既知のように決定し得る。
【０１０９】
実際に、ファイバ要素１２に印加される張力Ｆは、以下の関係：
【数１６】
2014519014.tif 000018
により定義し得、式中、Ｅはシリカ（ファイバを構成する材料）のヤング率を表し、式中、Ｓ及びｌはそれぞれ、ファイバの断面積及び長さを表し、式中、δＬはファイバに課される伸張を表す。この伸張は、考慮される温度変動の関数として、ファイバの伸張を考慮することにより決まる。
【０１１０】
張力Ｆを受けるファイバ要素１２により構成される振動コード内の波の伝播速度ｖはさらに、式：
【数１７】
2014519014.tif 000019
により定義される。式中、μはファイバの線形質量である。
【０１１１】
コードの固有振動モードは、コードに関する限り、
【数１８】
2014519014.tif 000020
のような波長で得られ、式中、Ｌはファイバの長さを表し、ｎは整数である。
【０１１２】
したがって、光ファイバ要素１２により構成される振動コードの固有共振周波数は、以下の関係：
【数１９】
2014519014.tif 000021
により定義される。
【０１１３】
したがって、例えば、２５０μｍに等しい直径であり、９．３６μｍ／ｍ／°Ｃに等しい長さ相対変動を示すシリカから作られる長さｌ＝４２ｍｍの光ファイバ要素の場合、５０°Ｃの温度変動の場合に得られるファイバ伸張δＬは２３．４μｍに略等しく、印加すべき張力Ｆは０．６Ｎに略等しい。この張力自体の印加は、光ファイバ要素１２の高さで固有共振周波数を発生させ、これらの固有周波数のうちの最初の固有周波数は、１５００Ｈｚに略等しい値を有する。
【０１１４】
したがって、この値がハイドロホンの使用周波数範囲内にある場合、この固有共振モードは、同一周波数の横断加速度が外部媒質により及ぼされるとすぐに励起する。そのような加速は、本質的に、例えば、ハイドロホンが一体化される音響アンテナの移動により生じる機械的外乱により、ハイドロホンの感度の外乱をもたらす。
【０１１５】
したがって、そのような構成では、光ファイバ要素１２の固有振動モードを減衰させることが必要になる。
【０１１６】
本発明によれば、この減衰は、ハイドロホンのキャビティに含まれる流体の粘度を変更することにより得ることができる。
【０１１７】
あるいは、この減衰は、ファイバ要素１２を、ゲルが充填された金属製円筒体内部に封入するとともに、ハイドロホンのキャビティ内部でこの円筒体を中心に配置するためにより得ることもでき、キャビティ自体には、外部媒質により課される圧力変動を伝達させるように機能する流体が充填される。
【０１１８】
あるいはここでも、この減衰は、流体が含浸した気泡発泡体でハイドロホンのキャビティを充填することにより、得ることもできる。その場合、発泡体の性質は、圧力変動に関連するキャビティの挙動を実質的に変更せずに、光ファイバ要素１２の振動を減衰させるように決定される。
【０１１９】
図７及び図８は、本発明による装置の代替の変形実施形態の構造を概略的に提示する。この代替では、円筒体１３はいかなるオリフィス１６も示さない。他方では、貫通オリフィス７１はここでは、端部キャップ１４及び１５の厚さに作られる。
【０１２０】
すでに提示され、図１及び図２に示される一般的な実施形態に関して、この実施形態では、有利なことに、一方では、円筒体１３がいかなる穿孔も受けない状態に保つとともに、他方では、円筒体の壁厚よりも大きな長さｌｈｏｌｅを示すオリフィスを取得し、それにより、前の実施形態（関係［３］参照）よりも低いヘルムホルト周波数を示すハイドロホンを設計することが可能である。
【０１２１】
１つ又は複数の貫通オリフィス１６の存在が本発明の本質的な特徴に対応する限り、本発明による装置が、考案される実施形態が何であれ、そのようなオリフィスを備えることに留意されたい。
【０１２２】
しかし、円筒体１３又は端部キャップ１４及び１５に作られた１つ又は複数の孔からなることに代えて、剛性体１３又は剛性体の部分が多孔性材料で作られる代替の実施形態では、貫通オリフィス１６の機能は材料の孔により満たし得る。
【０１２３】
同様に、端部キャップが、部分的又は全体的に多孔性材料から作られる代替の実施形態では、貫通オリフィス１６の機能は材料の孔で満たし得る。
【図１】
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【図２】
2014519014.tif 000026
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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