MEMS矢量水听器的温度特性及其补偿方法研究

文中以MEMS矢量水听器为研究对象,分析其温度特性,采用BP神经网络方法进行温度补偿。海水的温度范围为-2~30℃,在该范围内对水听器的温度特性进行测试。测试结果表明:随着温度的变化,MEMS矢量水听器产生温度漂移,使其灵敏度发生浮动,这样严重制约了水听器的测量精度和应用范围。采用BP神经网络算法对水听器进行温度补偿,将水听器测量电压值和实时温度进行数据融合,削弱了环境温度的影响。补偿后,水听器的温度漂移显著降低,不同工作温度下的灵敏度曲线高度重合,灵敏度浮动不超过2 d B。     

水声定位关键量值计量校准装置设计北大核心CSCD

为解决水声定位精度与作用距离等关键量值的计量溯源问题,研发基于大比尺深水港池的水下六自由度控制机构,搭建基于无人船的全溯源验证比对平台,实现声基阵与应答器在毫米级空间坐标系下的定姿定位,以激光测距和实时动态卫星差分定位(简称GNSS-RTK)技术为参考标准,采用比较校准法对超短基线水声定位系统几何参数进行计量测试。基于六面消声水池集成水声测量系统,实现对水声换能器声源级、工作频率等声学参数计量测试,研制目标模拟应答器,提出一种基于等效声波时延反馈的模拟校准方法,实现水声定位全量程模拟校准。试验结果表明:在150 m距离范围内,2套被检设备定位误差分别优于1%和3%,标准不确定度U=0.08 m。     

液压系统噪声及控制

在声学和振动测量中都离不开变换器,它是将声压或者是机械振动(振动的位移、速度、加速度的量)信号变换为电信号的传感器。然后再输入到其它有关仪器及处理系统进行信号分析处理。所以声压和振动传感器是测量系统中的关键元件,它的质量优劣会直接影响到测量的精度。对于一个理想传感器应该具有如下特性: 1.在音频范围有平直频率响应。 2.传声器尺寸与被测声波波长相比应当很小,避勉声场中干扰。 3.有较高声学阻抗,使它尽量吸收较小     

基于矢量阵测量的振速重构近场声全息技术

近场声全息技术是一种声源识别和声场可视化技术,它通过在辐射体的近场测量声压数据可以重建和预测出整个三维空间声场的声学量.针对水中声源的振速重构问题,采用质点振速测量来进行声全息重构,推导基于振速重构的平面近场声全息技术的重建公式.利用所编制的程序进行仿真验证,采用矢量水听器进行水中全息试验,验证矢量阵应用于水中近场全息测量的可行性和准确性.试验结果表明,该技术在水中声源辐射声场的噪声源识别和定位中有着明显的优势.     

基于FPGA的电容式声压传感器阵列信号采集存储系统

针对水下声信号探测和电容式声压传感器阵列工程应用的需求,设计了一种应用于该传感器阵列的信号采集存储系统。该系统解决了实际应用中电容式声压传感器阵列输出信号无法直接检测、电容变化-电压变化转换精度低等问题。该系统以FPGA为控制核心实现该传感器阵列不同阵元的电路匹配,同时完成信号的预处理、采集及存储。系统测试过程中,采集并存储电容式声压传感器输出信号,并通过上位机对存储信号进行读取,测试结果表明:该系统在水下工作稳定,可正确记录水声信号。     

Design of encapsulated structure of distributed feedback fiber laser hydrophone

针对分布反馈式(DFB)光纤激光器用于水声探测时频响曲线起伏较大的问题,设计了一种开孔套管式封装结构.通过对DFB激光器的封装,使其张紧后被聚氨酯固定于开孔套筒的中心轴线上,利用开孔套管的保护作用以及施加于光纤激光器两端的拉力来抑制水声探测过程中频响曲线的起伏.基于有限元软件ANSYS对封装结构的动态特性进行了数值仿真计算,然后加工制作了开孔套管结构封装的DFB光纤激光水听器原型样品,并利用振动液柱法进行了测试.试验结果显示,DFB光纤激光水听器在20～800 Hz的声压灵敏度达到-131 dB左右,灵敏度起伏不高于±1.5 dB,表明通过该封装结构的保护及聚氨酯的张紧作用,有效抑制了频响曲线的起伏,改善了DFB光纤激光水听器的水声探测性能.     

分布反馈光纤激光水听器封装结构的设计

针对分布反馈式(DFB)光纤激光器用于水声探测时频响曲线起伏较大的问题,设计了一种开孔套管式封装结构。通过对DFB激光器的封装,使其张紧后被聚氨酯固定于开孔套筒的中心轴线上,利用开孔套管的保护作用以及施加于光纤激光器两端的拉力来抑制水声探测过程中频响曲线的起伏。基于有限元软件ANSYS对封装结构的动态特性进行了数值仿真计算,然后加工制作了开孔套管结构封装的DFB光纤激光水听器原型样品,并利用振动液柱法进行了测试。试验结果显示,DFB光纤激光水听器在20～800Hz的声压灵敏度达到-131dB左右,灵敏度起伏不高于±1.5dB,表明通过该封装结构的保护及聚氨酯的张紧作用,有效抑制了频响曲线的起伏,改善了DFB光纤激光水听器的水声探测性能。     

MEMS同振型仿生矢量水听器实验测试

MEMS(Micro Electro Mechanical System,微机电系统)同振型仿生矢量水听器采用MEMS二维仿生矢量水听器和标准声压水听器一体化封装,保证了通道间的严格正交,海试环境下性能测试具有“8”字形余弦指向性和较高的灵敏度.在性能测试的基础上对水听器的定向能力进行了实验研究,实验结果表明:同振型矢量水听器能够实现声目标定向(定向误差小于3°)和运动目标的航迹跟踪,为后续的工程化应用打下了基础.     

基于阻抗变换的非接触电压测量自校准方法

电容耦合式非接触电压测量在实际测量中,探头-导线之间的耦合电容受导线线径、绝缘材质、相对位置偏差的影响,造成分压关系难以确定从而无法准确重构电压。本文提出一种基于阻抗变换的非接触电压测量自校准方法,以实现在实际测量中传感器增益的自标定。首先介绍电容耦合电压测量的基本原理,从中凝练存在的问题并提出基于阻抗变换的自校准方法,随后通过仿真对系统参数进行校准精度影响分析并给出参数选取原则。在此基础上,开发传感器探头及电路拓扑。最后进行传感器样机精度测试、抗干扰能力测试、场景适应性测试,精度测试显示电压幅值最大相对误差为0.59%,相位相对误差为0.76%,抗干扰能力测试表明同轴探头对周围耦合电场具有良好的屏蔽作用。场景适应性测试显示在进行不同类型线路的测试中,最大相对误差为1.24%。     

随钻声波发射换能器宽频阻抗匹配设计及实验

发射换能器是随钻声波测井仪器的核心部件,其工作带宽及辐射声波能量的强弱是仪器的关键技术指标。换能器是一个非线性容性负载,可以采用阻抗匹配的方式增强有功功率并拓宽工作频带。本文将换能器多模态等效电路与阻抗匹配网络结合,利用电路网格方程对元件参数进行求解。最终在消声水池进行声场测试,观测换能器有功功率、声场辐射声压、发射电压响应等电、声特性,综合评估阻抗匹配网络的效果,为后续的随钻仪器研发及实验测试提供帮助和指导。实验结果表明,本文所设计的阻抗匹配网络能够明显改善换能器的声波辐射性能,频带宽度拓宽3.3倍,有功功率提高1.7倍,声压增强1.8倍,发射电压响应提高5 dB,在12～16 kHz的频带内发射电压响应最高可达125 dB。     

A comparison of light spot hydrophone and fiber optic probe hydrophone for lithotripter field characterization

The performance of a newly developed light spot hydrophone (LSHD) in lithotripter field characterization was compared to that of the fiber optic probe hydrophone (FOPH). Pressure waveforms produced by a stable electromagnetic shock wave source were measured by the LSHD and FOPH under identical experimental conditions. In the low energy regime, focus and field acoustic parameters matched well between the two hydrophones. At clinically relevant high energy settings for shock wave lithotripsy, the measured leading compressive pressure waveforms matched closely with each other. However, the LSHD recorded slightly larger |P_| (p < 0.05) and secondary peak compressive pressures (p < 0.01) than the FOPH, leading to about 20% increase in total acoustic pulse energy calculated in a 6 mm radius around the focus (p = 0.06). Tensile pulse durations deviated ~5% (p < 0.01) due to tensile wave shortening from cavitation activity using the LSHD. Intermittent compression spikes and laser light reflection artifacts have been correlated to bubble activity based on simultaneous high-speed imaging analysis. Altogether, both hydrophones are adequate for lithotripter field characterization as specified by the international standard IEC 61846.     

单矢量水听器的几种DOA估计方法

针对单矢量水听器,将旋转不变技术(estimation of signal parameters via rotational invariance techniques,ESPRIT)等参数估计算法用于直方图统计,并提出了基于单矢量水听器的多重信号分类(multiple signal classification,MUSIC)算法,推导出波束形成的功率谱公式和半功率波束宽度公式以及不同声压振速组合情形下定向性能的理论下界,同时也对其他波达方向(direc-tion of arrival,DOA)估计方法进行了总结。理论分析和实验结果表明:ESPRIT等用于直方图统计后能够获取更为全面准确的目标信息;MUSIC算法可获得比最小方差无畸变响应(minimum variance distortionless response,MVDR)更高的分辨率,而且同样满足实时处理要求;MVDR的半功率波束宽度与信噪比大致呈现反比例关系,而常规波束形成(conventional beam-forming,CBF)的半功率波束宽度收敛于131.06°,两者都只与信噪比有关;声能流法等适用于较高信噪比情形,而波束形成和子空间方法的定向精度在较低信噪比情形下仍能接近理论下界,尤其是波束形成具有良好的宽容性;功率谱估计的3种算法具有相同的估计误差边界;各定向算法的时间花销都较小,均可应用于实时系统。     

Design and Simulation of PVDF‐MOSFET Based MEMS Hydrophone

Abstract

Modeling has become a vital tool of investigation in all fields, since experimenting with real systems is not only costly, but also time‐consuming and even impossible in some situations. This work presents the design and simulation of an integrated PVDF‐based MEMS hydrophone with improved sensitivity, which contains a MOSFET sense amplifier. The piezoelectric polymer, polyvinylidene fluoride (PVDF), senses the input acoustic signal. As hydrophone size decreases, it becomes necessary to provide an amplifier or buffer in close proximity to avoid sensitivity loss due to interconnect capacitance. This suggests the concept of hydrophones merged with electronics in an integrated circuit environment. So, the integration of PVDF with an on‐chip MOSFET is implemented. The extended gate electrode of the MOSFET is placed over an epitaxial layer isolated from the silicon substrate and is padded with a dielectric layer, SU‐8, which significantly reduces the extended gate capacitance and, therefore, increases the sensor sensitivity. The variation of the transducer output when the input acoustic signal is applied is studied. The simulation is done using the MEMS simulation software, Coventorware.     

一种新型数字水听器设计

设计了一种双通道数字水听器。采用FPGA对经过放大调理的数字水听信号进行采集,采用32位微处理器STM32F107和网络接口芯片DP83848实现以太网接口的设计方法,硬件少、易于实现和使用方便,适合现在的网络传输系统。通过试验,测得系统的传输速率达到了400Kb/s,满足了水听器及水听器基阵对传输速率的要求。数字水听器信号处理能力强,提取的信息更加准确、可靠,水听器处理的信号既可通过多种总线实时同水面的电子设备进行通讯,也可作为独立的测试系统,自身进行信息的处理和保存。     

离心泵作透平流体诱发内场噪声特性及贡献分析

对某离心泵作透平流体诱发的内场噪声特性进行数值计算和试验研究。在典型流量下,采用雷诺时均方法获取壳体壁面偶极子声源,并利用边界元方法(Boundary element method,BEM)求解出壳体偶极子源作用的流动噪声,基于有限元结合边界元的声振耦合法(Finite element method/boundary element method,FEM/BEM)计算出流体激励结构振动产生的内场流激噪声及考虑结构振动的流动噪声,分析不同性质噪声源的频谱特性,同时评估内场声源在各个频段下的贡献量。借助水听器对透平出口进行流体声学试验,获得了噪声的频谱特性。结果表明,离心泵作透平出口流体诱发噪声主要集中在中低频段,小流量工况低频噪声特性增强。壳体声源作用下考虑结构振动流动噪声的计算结果与试验结果在较大流量下吻合较好。壳体偶极子作用的流动噪声对内场噪声的贡献最大,其次是考虑结构振动的流动噪声,流激噪声对内场噪声贡献最小。结构的影响使得二阶叶频处声压增加,其余离散频率及宽频处声压均有所降低。该研究结果为低噪声叶轮机械设计提供了一定的参考。     

针对 3×3 耦合器幅相非对称的光纤水听器解调方法

基于3×3耦合器法的光纤水听器解调容易受耦合器分光比非理想对称特性影响,导致水听器解调结果及测量信号不准确。为解决实际中3×3耦合器普遍存在的幅度、相位非对称引入的解调偏差问题,提出基于微分交叉相乘的干涉信号幅度和相位修正解调方法。通过对三路非对称干涉信号进行两两最小二乘椭圆拟合,得到干涉信号的实际幅度和相位参数,经去直流、归一化消除幅度不对称,并将所得包含非对称相位信息的信号两两微分交叉相乘,经三角函数变换解算信号相位及其修正系数,从而实现对光纤水听器输出信号的准确解调。仿真对比了本文方法和仅考虑幅度非对称情况的解调结果,并分析比较了两种处理方法随声信号频率、幅值变化的解调误差,前者得到接近理想信号波形的解调结果和更小的解调误差。依托消声水池开展了光纤水听器解调实验,在5～30 kHz频率范围对解调方法进行了对比验证,证明了本文解调方法的有效性和稳定性。     

An acoustic aneurysm-detector

Intracranial aneurysms have a high prevalence in the adult population; and if they rupture, significant morbidity almost always ensues. However, pulsatile blood flow through aneurysms produces vibrational sound patterns that may be detected extracranially. Thus, an acoustic aneurysm-detector has been developed to detect the sounds produced by intracranial aneurysms prior to rupture. The design is based on the utilization of a hydrophone for signal detection and computational signal processing for signal extraction. Data are examined in the time domain, the frequency domain, and the time-frequency plane. Examples are presented from an animal model and from a patient with a known aneurysm.     

NEAR-FIELD ACOUSTIC HOLOGRAPHY FOR SEMI-FREE ACOUSTIC FIELD BASED ON WAVE SUPERPOSITION APPROACH

In the semi-free acoustic field, the actual acoustic pressure at any point is composed of two parts: The direct acoustic pressure and the reflected acoustic pressure. The general acoustic holographic theories and algorithms request that there is only the direct acoustic pressure contained in the pressure at any point on the hologram surface, consequently, they cannot be used to reconstruct acoustic source and predict acoustic field directly. To take the reflected pressure into consideration, near-field acoustic holography for semi-free acoustic field based on wave superposition approach is proposed to realize the holographic reconstruction and prediction of the semi-free acoustic field, and the wave superposition approach is adopted as a holographic transform algorithm. The proposed theory and algorithm are realized and verified with a numerical example, and the drawbacks of the general theories and algorithms in the holographic reconstruction and prediction of the semi-free acoustic field are also demonstrated by this numerical example.     

介观压阻效应及器件

介绍GaAs/AlAs/InGaAs双势垒超晶格薄膜结构的介观压阻效应以及几种基于此效应的新型传感器件。阐述介观压阻效应的四个过程,结合空气桥结构和欧姆接触技术,在[001]晶向半绝缘GaAs衬底上加工出来了GaAs/AlAs/InGaAs共振隧穿结构(Resonant tunneling structures, RTS),并对其进行了加压试验研究,发现其介观压阻灵敏度达到2.54×10–9 Pa–1,是硅压阻灵敏度的一个数量级以上。采用控制孔技术成功加工出了基于RTS的圆膜压力、四梁加速度和仿生矢量水声三种新型纳机电器件,并分别对其进行了压力罐、振动台和水下驻波测试。结果表明圆膜压力传感器具有较好的力电耦合特性;四梁加速度计的压阻灵敏度随RTS两端偏置电压可调,并在微分负阻区具有最大压阻灵敏度;矢量水听器具有良好的“8”字余弦指向性,灵敏度在1 000 Hz时达到184.6 dB,可以实现水平面内的水下声信号探测。