Новые виды оптоволокна повысят эффективность акустического мониторинга
Пермь, 22 апр - ИА Neftegaz.RU. Ученые из Пермского Политеха и ПФИЦ УрО РАН провели исследование нескольких новых типов оптоволокна с различными покрытиями и изучили их реакцию на звуковые волны в системах DAS. Полученные результаты позволят более точно подбирать волоконные чувствительные элементы для специфических задач и расширить область применения технологии - от промышленности до экологического мониторинга.
Об этом сообщила пресс-служба ПНИПУ. Статья с результатами была опубликована в журнале Applied Sciences.
Сегодня для мониторинга состояния конструкций, промышленных деталей, трубопроводов и охраны периметра актуальны распределенные акустические датчики - DAS-системы.
Оптическое волокно, используемое в этих системах, способно улавливать звуки, вибрации и деформации по всей длине, что позволяет отслеживать малейшие изменения, нарушения или неполадки в объектах наблюдения.
К примеру, с помощью таких систем можно фиксировать шаги человека, движение транспорта, утечки нефти в трубах и даже землетрясения.
Основной проблемой DAS-систем является высокая стоимость и ограниченная чувствительность к звуковым частотам.
Системы DAS обладают способностью улавливать звуки различных частот на значительных расстояниях - до нескольких десятков километров. Они зарекомендовали себя как эффективный инструмент в нефтегазовой отрасли для контроля трубопроводов и разведки месторождений, а также в мониторинге состояния конструкций и охраны границ и важных объектов.
Одна такая система может заменить целый массив микрофонов традиционной конструкции.
Эффективность технологии в конкретных применениях во многом зависит от чувствительности оптоволокна к интересующим звуковым частотам. Когда звук или вибрация воздействуют на волокно, происходит изменение в проходящем по нему световом сигнале.
Это изменение регистрируется приемником, оцифровывается и преобразуется в данные о местоположении и характере события с помощью компьютера. Каждый тип звукового события имеет индивидуальный шаблон - тон и громкость.
Так, человек или программа могут отличить, к примеру, утечку нефти от гудения насоса или землетрясение от движения техники.
В качестве чувствительного элемента для DAS в основном используется стандартное одномодовое телекоммуникационное волокно, которое применяется для передачи интернет-трафика.
Однако оно не всегда оптимально для задач мониторинга, т.к. предназначено для передачи информации с минимальными искажениями, а не для восприятия внешних воздействий.
В поисках идеального волокна научное сообщество разрабатывает новые специализированные варианты с улучшенными характеристиками.
Они могут отличаться по способам изготовления, материалам сердцевины, оболочки и покрытия.
Более глубокое изучение этих волокон позволит выявить наиболее чувствительные к звукам определенных частот и улучшить акустический мониторинг в специфичных условиях, а также найти новые потенциальные сферы применения для некоторых типов оптоволокна.
Ученые ПНИПУ и ПФИЦ УрО РАН сравнили семь типов волокон с различными методами производства и покрытиями (акриловым, полиимидным, медным, фторопластовым) и определили их восприимчивость к звуковым волнам. Испытания проводились в диапазоне частот от 100 до 7000 Гц - от низкого гула до высоких звуков, которые могут указывать на повреждения конструкций или движение объектов.
В ходе эксперимента исследователи использовали динамик с закрепленными на нем разными оптическими волокнами под одинаковым усилием.
С помощью лазера в них направлялись короткие импульсы света. Когда звуковая волна достигала волокна, оно слегка деформировалось, что изменяло рассеиваемый свет.
Эти изменения фиксировались вспомогательным оборудованием на том же конце волокна, откуда и запускался свет.
Для каждого типа волокна измерения проводились 100 раз с целью усреднения результатов и снижения погрешности.
Исследования показали, что расчетные и экспериментальные результаты совпали за некоторыми исключениями - анизотропное волокно с акрилатным покрытием продемонстрировало стабильную, но более низкую чувствительность, чем ожидалось.
Напротив, волокно с медным покрытием лучше воспринимает звуки в диапазоне от 4500 до 7000 Гц.
Ученые отметили, что металлическое покрытие создает внутренние напряжения, что может влиять на акустическую чувствительность. Эта характеристика может быть полезна для приложений DAS, требующих точного восстановления звукового шаблона сигнала, например, для идентификации различных источников звука - ветра, транспортных средств, животных и злоумышленников.
Наиболее выраженные результаты были получены для волокна с полиимидным покрытием, на поверхности которого присутствуют небольшие дефекты. Предполагается, что такая неоднородность резонирует с различными акустическими частотами, тем самым повышая его чувствительность к звуковым волнам.
На основании этих результатов ученые разработали рекомендации по оптимизации DAS для новых областей применения. В частности, волокно с полиимидным покрытием оказалось наиболее предпочтительным для общего акустического мониторинга.
Для задач, требующих точного восстановления звукового шаблона, таких как ранняя регистрация сельскохозяйственных вредителей, мониторинг трубопроводов, железных дорог, умного дома, а также охрана периметров, рекомендуется использовать анизотропное волокно с акрилатным покрытием и внешним диаметром 166 мкм.
В то же время, волокно с фторопластовым покрытием следует использовать для регистрации частот менее 2500 Гц, что может быть полезно в разведке ископаемых, сельском хозяйстве и распознавании голоса.
Данное исследование способствует расширению представлений об акустических свойствах различных оптических волокон и позволяет выбрать оптимальный тип для конкретных задач - от охраны границ до контроля состояния мостов, трубопроводов и сельского хозяйства.
Это будет способствовать адаптации технологии DAS к новым потребностям в промышленном мониторинге и повышению ее доступности и распространения в России.
Об этом сообщила пресс-служба ПНИПУ. Статья с результатами была опубликована в журнале Applied Sciences.
Сегодня для мониторинга состояния конструкций, промышленных деталей, трубопроводов и охраны периметра актуальны распределенные акустические датчики - DAS-системы.
Оптическое волокно, используемое в этих системах, способно улавливать звуки, вибрации и деформации по всей длине, что позволяет отслеживать малейшие изменения, нарушения или неполадки в объектах наблюдения.
К примеру, с помощью таких систем можно фиксировать шаги человека, движение транспорта, утечки нефти в трубах и даже землетрясения.
Основной проблемой DAS-систем является высокая стоимость и ограниченная чувствительность к звуковым частотам.
Системы DAS обладают способностью улавливать звуки различных частот на значительных расстояниях - до нескольких десятков километров. Они зарекомендовали себя как эффективный инструмент в нефтегазовой отрасли для контроля трубопроводов и разведки месторождений, а также в мониторинге состояния конструкций и охраны границ и важных объектов.
Одна такая система может заменить целый массив микрофонов традиционной конструкции.
Эффективность технологии в конкретных применениях во многом зависит от чувствительности оптоволокна к интересующим звуковым частотам. Когда звук или вибрация воздействуют на волокно, происходит изменение в проходящем по нему световом сигнале.
Это изменение регистрируется приемником, оцифровывается и преобразуется в данные о местоположении и характере события с помощью компьютера. Каждый тип звукового события имеет индивидуальный шаблон - тон и громкость.
Так, человек или программа могут отличить, к примеру, утечку нефти от гудения насоса или землетрясение от движения техники.
В качестве чувствительного элемента для DAS в основном используется стандартное одномодовое телекоммуникационное волокно, которое применяется для передачи интернет-трафика.
Однако оно не всегда оптимально для задач мониторинга, т.к. предназначено для передачи информации с минимальными искажениями, а не для восприятия внешних воздействий.
В поисках идеального волокна научное сообщество разрабатывает новые специализированные варианты с улучшенными характеристиками.
Они могут отличаться по способам изготовления, материалам сердцевины, оболочки и покрытия.
Более глубокое изучение этих волокон позволит выявить наиболее чувствительные к звукам определенных частот и улучшить акустический мониторинг в специфичных условиях, а также найти новые потенциальные сферы применения для некоторых типов оптоволокна.
Ученые ПНИПУ и ПФИЦ УрО РАН сравнили семь типов волокон с различными методами производства и покрытиями (акриловым, полиимидным, медным, фторопластовым) и определили их восприимчивость к звуковым волнам. Испытания проводились в диапазоне частот от 100 до 7000 Гц - от низкого гула до высоких звуков, которые могут указывать на повреждения конструкций или движение объектов.
В ходе эксперимента исследователи использовали динамик с закрепленными на нем разными оптическими волокнами под одинаковым усилием.
С помощью лазера в них направлялись короткие импульсы света. Когда звуковая волна достигала волокна, оно слегка деформировалось, что изменяло рассеиваемый свет.
Эти изменения фиксировались вспомогательным оборудованием на том же конце волокна, откуда и запускался свет.
Для каждого типа волокна измерения проводились 100 раз с целью усреднения результатов и снижения погрешности.
Исследования показали, что расчетные и экспериментальные результаты совпали за некоторыми исключениями - анизотропное волокно с акрилатным покрытием продемонстрировало стабильную, но более низкую чувствительность, чем ожидалось.
Напротив, волокно с медным покрытием лучше воспринимает звуки в диапазоне от 4500 до 7000 Гц.
Ученые отметили, что металлическое покрытие создает внутренние напряжения, что может влиять на акустическую чувствительность. Эта характеристика может быть полезна для приложений DAS, требующих точного восстановления звукового шаблона сигнала, например, для идентификации различных источников звука - ветра, транспортных средств, животных и злоумышленников.
Наиболее выраженные результаты были получены для волокна с полиимидным покрытием, на поверхности которого присутствуют небольшие дефекты. Предполагается, что такая неоднородность резонирует с различными акустическими частотами, тем самым повышая его чувствительность к звуковым волнам.
На основании этих результатов ученые разработали рекомендации по оптимизации DAS для новых областей применения. В частности, волокно с полиимидным покрытием оказалось наиболее предпочтительным для общего акустического мониторинга.
Для задач, требующих точного восстановления звукового шаблона, таких как ранняя регистрация сельскохозяйственных вредителей, мониторинг трубопроводов, железных дорог, умного дома, а также охрана периметров, рекомендуется использовать анизотропное волокно с акрилатным покрытием и внешним диаметром 166 мкм.
В то же время, волокно с фторопластовым покрытием следует использовать для регистрации частот менее 2500 Гц, что может быть полезно в разведке ископаемых, сельском хозяйстве и распознавании голоса.
Данное исследование способствует расширению представлений об акустических свойствах различных оптических волокон и позволяет выбрать оптимальный тип для конкретных задач - от охраны границ до контроля состояния мостов, трубопроводов и сельского хозяйства.
Это будет способствовать адаптации технологии DAS к новым потребностям в промышленном мониторинге и повышению ее доступности и распространения в России.