Design studies for mandrel type fiber-hydrophones with FEM

FEM을 이용한 맨드랠(Mandrel) 형광- 음향 수중 청음기의 설계에 관한 연구

This paper describes structural optimization of optical fiber-wound mandrel hydrophones with Finite Element Method (FEM). The hydrophone is supposed to have operation frequency range of up to 10 kHz and show omni-directional sensitivity pattern at 5 kHz. Studied parameters are mandrel geometry, molding thickness, and material properties of constitutional parts of the hydrophone. Theoretical calculation result shows that pressure sensitivity of the hydrophone increased as either mandrel length or molding thickness gets larger. Also higher pressure sensitivity requires a mandrel or molding material with relatively low Youngs modulus or Poissons ratio. Hydrophone bandwidth increases either as the mandrel length becomes shorter or as the mandrel becomes harder. The omni-directional characteristic is improved as the mandrel length becomes shorter, at 5 kHz. With the above results, we determine the structure of an optical fiber-wound mandrel hydrophone which has the pressure sensitivity of $30 {\times} 10_{-7}$ Rad./Pa, operation frequency range of up to 10 kHz, and shows omni-directional sensitivity pattern at 5 kHz.

본 연구에서는 유한 요소법을 이용하여 작동 주파수 대역이 10kHz까지 이고, 무지향성 감도 특성을 갖는 광음향 변환맨드랠(mandrel)형 하이드로폰의 최적 구조를 설계하고자 하였다. 최적화 변수들은 유연성 구조물인 맨드랠의 형상과 청음기의 각부분 물성들이다. 맨드랠의 반경보다 길이 혹은 몰딩(molding) 두께가 증가할수록 광-음향 수중 청음기의 감도는 증가하였고, 맨드랠과 몰딩의 탄성 계수 및 포아손 비가 낮을수록 감도가 향상되는 경향을 보여주었다. 그리고 맨드랠 재료의 길이가 감소할수록 혹은 탄성율이 증가할수록 사용 주파수 영역이 증가하고, 하이드로폰의 길이가 짧을수록 감도의 무지향 특성이 향상 되었다. 이상의 결과를 이용하여 감도가 $30 {\times} 10_{-7}$ Rad./Pa에 이르고, 작동 주파수 영역이 10 kHz까지이며 5 kHz 주파수에서 무지향성을 갖는 유연성 구조물인 맨드랠형 광음향 하이드로론을 설계하였다.