São “ouvidos” feitos de fibra ótica? Como eles ouvem sons de submarinos debaixo d’água?
Imagine um “ouvido de alta sensibilidade subaquático” feito de fibra óptica. É um sensor acústico que usa fibra óptica como meio de detecção, aproveitando as ondas de luz para detectar ondas sonoras (sinais de pressão acústica) debaixo d’água.
I. Princípios Físicos Básicos para Detecção Subaquática de Submarinos
O som é essencialmente uma onda mecânica (onda sonora) que se propaga em um meio elástico, gerando uma leve pressão acústica alternada na água. Quando um submarino navega debaixo d’água, a vibração mecânica de seu sistema de propulsão e transmissão, juntamente com o ruído hidrodinâmico das pás e os efeitos de cavitação causados pela rotação da hélice, irradia ondas sonoras em bandas de frequência características para a água.
O processo de detecção de sons de submarinos por hidrofones de fibra óptica depende principalmente do efeito de modulação acústico-óptica (Efeito Elasto-óptico e Efeito Fotoelástico):
1. Pressão Acústica Convertida em Deformação da Fibra Óptica
- Hidrofones de Fibra Óptica Interferométricos (a forma mais comum): Uma longa e fina fibra sensora é enrolada firmemente em um mandril de núcleo composto de alta elasticidade ou plástico, que é sensível à pressão da água. Quando as fracas ondas sonoras emitidas pelo submarino viajam para a superfície do mandril, a pressão acústica alternada comprime ou estica o mandril, forçando a fibra enrolada nele a sofrer uma microdeformação axial.
- Hidrofones de Fibra Óptica de Grade de Bragg (FBG): Grades de Bragg de fibra óptica são encapsuladas em cavidades flexíveis de aumento de sensibilidade ou diafragmas elásticos. A pressão acústica alternada causa diretamente a expansão e contração minúsculas na região da grade.
2. Modulação Minúscula da Fase Óptica
No caso de uma estrutura interferométrica, a fase óptica \Phi de uma onda de luz propagando-se em uma fibra de modo único é expressa como:
\Phi = \beta \cdot L
Onde \beta é a constante de propagação da onda de luz na fibra e L é o comprimento da fibra sensora.
Quando a pressão acústica causa uma mudança no comprimento da fibra \Delta L e uma mudança no índice de refração induzida pelo efeito fotoelástico \Delta n, ocorre uma modulação minúscula \Delta \Phi na fase óptica:
\Delta \Phi = \beta \cdot \Delta L + L \cdot \Delta \beta
3. Desmodulação Eletro-óptica para Recuperar o Sinal Sonoro
O caminho óptico dentro do hidrofone (geralmente usando uma estrutura de interferômetro Mach-Zehnder, Michelson ou Sagnac) mistura duas feixes de luz coerentes, convertendo a mudança na fase óptica que não pode ser detectada diretamente em uma mudança nos padrões de interferência de intensidade de luz. Após o detector óptico receber o sinal de luz interferente, um cartão de aquisição de desmodulação de alta velocidade calcula a forma de onda da mudança de fase, que pode então ser completamente restaurada ao sinal elétrico de áudio da onda sonora original.
4. Escuta em Arranjo e Posicionamento de Submarinos
Um único hidrofone só pode