УСЛЫШАТЬ ЧЕРЕЗ ОПТОВОЛОКНО

— Способность воспринимать акустические колебания мы назвали акустической чувствительностью оптического волокна. Звуковые волны распространяются не только по воздуху, но и через жидкости и твердые тела, в том числе и через стекло, из которого изготовлены оптические нити, — объясняет Артем Туров.

При этом разные материалы по-разному проводят колебания различных частот. Например, через бетонные стены мы лучше слышим низкочастотные сигналы — стук или басы в музыке, чем высокочастотные разговоры. А приближение моторной лодки можно услышать через воду раньше, чем через воздух.

Оптические нити уже несколько десятилетий служат основой для создания распределенных акустических датчиков. Эти устройства способны определить, на каком расстоянии от начала кабеля находится источник колебаний, что это за источник — животное, техника или ветер — и какую громкость имеет издаваемый сигнал.

Чаще всего такие датчики применяются для охраны территорий, разведки полезных ископаемых и мониторинга нефтяных скважин. Появляются и новые области применения — например, раннее обнаружение насекомых-вредителей в стволах деревьев на больших плантациях.

Однако есть парадокс: в большинстве случаев используется обычное телекоммуникационное волокно из-за дешевизны и доступности. Но оно изначально предназначено для качественной передачи света на большие расстояния, поэтому не должно слишком хорошо воспринимать вибрации — ведь это вызывает потери и искажения сигнала. Акустические же датчики как раз регистрируют изменения в световом потоке, вызванные внешним воздействием.

— Сравнить восприимчивость нескольких образцов оказывается не так-то просто, — говорит ученый. — Дело в том, что на чувствительность материала к колебаниям сильно влияет его натяжение. При сравнении необходимо обеспечить не только возможность замены тестируемого образца, но и точно повторяемое усилие натяжения. Кроме того, материал должен каждый раз находиться на одинаковом расстоянии от источника вибраций.

Устройство, созданное пермскими исследователями, решает все эти проблемы. Оно состоит из двух катушек телекоммуникационного кабеля для подведения светового сигнала, вибродинамика (источника колебаний), специальных роликов с канавками для укладки тестируемого образца и грузика. Именно грузик обеспечивает постоянное и воспроизводимое натяжение при каждом измерении.

 

За время работы исследователи протестировали шесть видов материалов, которые различались диаметром (от 0,16 до 0,9 мм), составом стекла, материалом оболочки и методом изготовления. Результаты оказались весьма неожиданными.

— Большие надежды возлагались на акустическую чувствительность образца в медной оболочке, ведь металлы хорошо проводят колебания. Но он показал очень посредственный результат, — рассказывает Артем Туров. — Причина в том, что металлическая оболочка при нанесении сильно «обжимает» сердцевину, создавая в ней хаотичные внутренние напряжения. А вот материал в полиимидной оболочке с дефектами — пузырьками, вкраплениями, неровной толщиной — показал наибольшую чувствительность. Вероятно, эти дефекты могут резонировать на нескольких частотах.

Еще одним открытием стал образец с искусственно созданными внутренними напряжениями: он показал практически одинаковую чувствительность ко всем частотам, что не проявлялось ни в одном другом случае.

Результаты исследований могут заинтересовать как производителей распределенных акустических датчиков, так и их пользователей. Тестирование позволяет подобрать для каждого применения наиболее подходящий материал. Например, для восприятия человеческого голоса или охраны территорий можно выбрать образцы с контролируемо созданными внутренними напряжениями, а для ранней регистрации вредителей — материалы в полиимидной оболочке с дефектами.

Пока что образцы для исследований предоставило ПАО «ПНППК» в рамках программы для победителей конкурса «Умник-Фотоника». В будущем ученые планируют доработать установку так, чтобы можно было одновременно тестировать несколько образцов или воздействовать на разные участки одного материала.