Современные системы мониторинга трубопроводов, конструкций и охраняемых территорий все чаще используют распределенные акустические датчики (DAS). В основе этой технологии лежит оптическое волокно, которое способно уловить звуки, деформации и вибрации по всей своей длине. Подобные системы могут регистрировать шум шагов, движение авто, утечки в трубах и даже землетрясения. Однако у них есть два ключевых ограничения: высокая стоимость и не всегда достаточная чувствительность к нужным частотам.
Группа ученых из Пермского Политехнического университета и Пермского федерального исследовательского центра Уральского отделения Российской академии наук провела серию экспериментов, чтобы определить, какие типы оптоволокна лучше подходят для разных задач мониторинга.
DAS-системы уже активно применяются в нефтегазовой отрасли, охране границ и мониторинге инфраструктуры. Они заменяют целые массивы микрофонов, так как одно волокно длиной в десятки километров способно улавливать звуки на всем своем протяжении. Принцип работы основан на анализе изменений светового сигнала, проходящего через волокно: когда звуковая волна воздействует на него, свет рассеивается, и эти искажения фиксируются приемником. Каждое событие, будь то утечка, вибрация или движение, имеет уникальный «акустический отпечаток», который можно распознать.
Однако стандартное телекоммуникационное волокно, используемое в DAS, изначально создавалось для передачи данных, а не для детектирования звуков. Поэтому ученые ищут специализированные виды волокна с улучшенной акустической чувствительностью. В своем исследовании пермские специалисты протестировали семь типов волокон с различными покрытиями: акриловым, медным, полиимидным и фторопластовым.
Эксперимент проводился в диапазоне частот от 100 до 7000 Гц от низкочастотного гула до высокочастотных звуков, которые могут указывать на повреждения конструкций. Волокна крепились к динамику, через них пропускали лазерные импульсы, а затем фиксировали изменения в рассеянном свете при воздействии звуковых волн. Каждое измерение повторяли 100 раз, чтобы минимизировать погрешность.
Оказалось, что волокно с медным покрытием лучше всего улавливает высокие частоты (4500−7000 Гц), что может быть полезно для точного распознавания звуковых сигналов. Ученые связывают это с внутренними напряжениями, которые создает металлическое покрытие. А вот анизотропное волокно с акрилатным покрытием показало меньшую чувствительность, чем ожидалось.
Наиболее перспективным оказалось волокно с полиимидным покрытием, которое содержало микроскопические дефекты. Ученые предположили, что эти неровности резонируют с акустическими волнами, усиливая чувствительность.
«На основе полученных данных мы разработали рекомендации по выбору волокна для разных задач, — поясняет Артем Туров, ассистент кафедры общей физики ПНИПУ. — Например, полиимидное волокно — идеальный вариант для общего мониторинга, анизотропное для точного распознавания звуковых шаблонов, а фторопластовое для низких частот».
В России разработан также сенсор для определения сероводорода в воздухе.
