同振式三轴向矢量水听器设计与实现

根据实际工程需要,设计、制作同振式三轴向矢量水听器,其外形为柱体两端带半球帽的圆柱体,声压通道和矢量通道在结构上结合为一体。矢量水听器外形尺寸为Φ54×72 mm、工作频带为20 Hz~2000 Hz。在国防科技工业水声一级计量站驻波管对研制的矢量水听器进行了测试,测试结果表明：声压通道声压灵敏度级为-192.7 dB（0 dB=1 V/mPa）、具有全指向性;矢量通道声压灵敏度级为-185.3 dB（测试频率500 Hz,0 dB=1 V/mPa）、具有余弦指向性。设计、制作的矢量水听器灵敏度高、通道一致性好、使用方便,满足工程应用需求。     

一种新型压阻式硅微仿生矢量水听器的设计

介绍了一种新型的基于压阻效应的硅微仿生矢量水听器,详细叙述了该矢量水听器的结构设计方法,利用有限元软件ANSYS对矢量水听器结构进行了模态分析,采用振动台标定与低频校准装置测试相结合的方法对水听器进行测试,并给出了检测单元的加速度频响特性曲线和声压灵敏度曲线,以及矢量水听器在水下测试的接收灵敏度曲线和指向性图的测试结果.通过此实验方法,不仅验证了该矢量水听器设计的合理性,而且验证了它适用于低频检测,应用于水声探测具有一定的可行性.实验证明,该矢量水听器的接收灵敏度在500 Hz时达到-189.6 dB(0 dB=1 V/μPa),并具有良好的"8"字形的指向性.     

基于压电加速度计的同振型矢量水听器的设计

介绍一种压电加速度计在新型水声接收换能器———同振型矢量水听器设计中的应用方法。叙述了采用压电加速度计设计同振型矢量水听器的理论依据,并给出根据此方法设计制作的同振型矢量水听器的自由场开路电压灵敏度和指向性图测试结果:自由场电压灵敏度为-190～-200dB(0dB=1V/μPa,测试频率1000Hz),指向性图分辨力kd>20dB。     

压电圆盘弯曲式矢量水听器的设计

介绍一种采用三迭圆片作为敏感元件的矢量水听器——压电圆盘弯曲式矢量水听器的设计方法 ,并给出根据此方法设计制作的压电圆盘弯曲式矢量水听器的性能指标——自由场开路电压灵敏度和指向性图的实验测试结果 :自由场电压灵敏度为 - 2 14.5dB(0dB =1V/μPa ,测试频率 10 0 0Hz) ;指向性图的分辨力kd >2 0dB。     

一种新型压阻式硅微仿生矢量水听器的设计

介绍了一种新型的基于压阻效应的硅微仿生矢量水听器,详细叙述了该矢量水听器的结构设计方法,利用有限元软件ANSYS对矢量水听器结构进行了模态分析,采用振动台标定与低频校准装置测试相结合的方法对水听器进行测试,并给出了检测单元的加速度频响特性曲线和声压灵敏度曲线,以及矢量水听器在水下测试的接收灵敏度曲线和指向性图的测试结果。通过此实验方法,不仅验证了该矢量水听器设计的合理性,而且验证了它适用于低频检测,应用于水声探测具有一定的可行性。实验证明,该矢量水听器的接收灵敏度在500Hz时达到-189.6dB(0dB=1V/μPa),并具有良好的“8”字形的指向性。     

纤毛式MEMS矢量水听器的优化设计与测试

针对目前MEMS仿生矢量水听器灵敏度偏低和现有封装结构的固有机械特性对芯片拾振特性影响很大的问题,对该结构水听器从两个方面进行优化设计,一是提出一种新型纤毛材料碳棒代替光纤,二是提出嵌入式透声帽封装结构.首先理论分析纤毛和封装对水听器灵敏度和频带的影响,并用ANSYS软件对其进行仿真,最后对加工的水听器样机进行频响和指向性测试.测试结果表明:在25 ～300 Hz,优化后的水听器灵敏度提高了5 dB;在300～ 1000 Hz,优化后水听器灵敏度提高10 dB,优化后水听器的共振峰明显后移,拓宽了水听器的工作频带,且具有良好的指向性,为水听器进一步的发展和工程应用奠定了基础.     

单片集成四元阵列式MEMS矢量水听器的研究

针对当前对MEMS矢量水听器高可靠性迫切要求,设计了2×2单片集成四元阵列式MEMS矢量水听器,以保证其中一个敏感微结构失效损坏或工作不正常时,水听器仍能正常工作.结合ANSYS软件对阵列敏感微结构进行了仿真分析;设计了该微结构的加工工艺流程;最后,对阵列式MEMS矢量水听器进行水声校准测试.测试结果表明:阵列式水听器可靠性明显提高,灵敏度达到-179 dB(0 dB =1V/μPa),具有良好的“8”字指向性.     

新型三维MEMS矢量水听器的设计

根据国内对高灵敏度、低频小体积三维矢量水听器的需求,提出了一种仿鱼侧线纤毛的MEMS三维矢量水听器。该水听器采用多纤毛结构分别用来接收X、Y与Z方向的声信息,采用ANSYS进行仿真,静力分析得出了布放压阻的合理位置,谐响应分析得出该结构的固有频率在1.5 kHz左右;驻波桶校准测试结果表明:该水听器的灵敏度范围在-200 dB到-180 dB左右;在25 Hz～2 000 Hz频段内具有良好的频响特性;指向性分辨率大于等于30 dB,具有良好的"8"字形指向性。     

一种MEMS同振柱型仿生矢量水听器的研制

提出了一种结合MEMS技术、仿生原理和压阻原理的同振柱型矢量水听器,即由二维仿生水听器和声压水听器组合而成的柱体。在声学理论基础上详细介绍了该水听器的封装设计及制作过程,在国防水声一级计量站对该矢量水听器进行校准实验,实验结果表明:该同振型矢量水听器的工作频带范围为0～3 kHz;X通道灵敏度-177.9 dB(2 kHz),Y通道灵敏度-175.4 dB(2 kHz),声压通道灵敏度-175.8 dB(2 kHz);具有很好的"8"字指向性;可承受3 MPa压力。此新型MEMS同振矢量水听器适用于民用船只避障,渔业捕捞,海洋勘探等领域。     

光纤激光水听器研究进展

文章介绍了光纤激光水听器的基本原理,国内外光纤激光水听器的研究进展以及发展趋势,同时,详细介绍了 2005 年以来中国科学院半导体研究所在光纤激光水听器技术方面的研究工作,包含了标量水听器技术、矢量水听器技术、水听器阵列技术、外场实验及行业应用等。目前,课题组光纤激光水听器声压灵敏度优于－140 dB re 1 pm/μPa,频响区间 20～2000 Hz,拖曳阵列外径小于 30 mm,阵元数目 64。我国的光纤激光水听器阵列技术正处于从实验室走向应用的重要阶段,开展好实用化研究是当务之急。     

一种小型矢量阵优化波束方法研究

在小型声纳平台中由于单个矢量水听器所含的振速传感器具有自然指向性,其组成的矢量阵较传统水听器阵有优越性,但单个矢量水听器的自然指向性波束较宽,组成的矢量阵的-3dB束宽和旁瓣级不够理想。该文利用单个矢量传感器的声压、振速信息联合处理形成较好指向性,并用于矢量阵获得良好的阵列效果,同时分析了该方法对线阵和圆阵的影响。仿真结果表明当线阵的阵元间距和圆阵半径都为0．5米时,矢量阵接收低频信号所形成的波束图中-3dB束宽在以25°内,第一旁瓣级低于-60dB,这证明了该文的方法是有效的。     

纳机电矢量水听器耐压结构设计

纳机电矢量水听器具有低频性能好,灵敏度高等性能优点,在深海探测领域具有巨大的应用潜力,为满足超深水工作的要求提出了绝缘托盘式新型封装结构,解决了纳机电矢量水听器的耐高静水压技术难题。首先,进行聚氨酯透声帽外围封装承压分析,理论论证聚氨酯基体树脂材料的极限耐静水压强度为42.3 MPa。然后,对MEMS芯片输出电压进行理论计算以及对其进行模态仿真,得出在高达20 MPa的静水压作用下,传感器的输出灵敏度基本无变化,而且工作频带有所拓宽。测试结果表明:改进封装的纳机电矢量水听器在高压20 MPa时,可以实时获得敲击信号;加压前后,该水听器在20 Hz~1 000 Hz工作频带内水听器的灵敏度和指向性基本一致。     

基于丁腈橡胶帽封装的MEMS仿生水听器的设计

针对现有封装结构会对灵敏度造成一定程度的损失,使现有水听器的灵敏度小于水听器芯片裸测灵敏度的问题,改用了透声性能好、耐腐蚀的丁腈橡胶(NBR)制作的透声帽,并对现有的矢量水听器的封装外壳进行相应的优化设计。该封装结构的水听器的共振频率降低到50 Hz以下,水听器所感兴趣的频段(50 Hz~4 kHz)不会受到封装谐振的干扰,拓宽了水听器的工作频段。该封装的灵敏度提高到几乎与裸片的灵敏度一致,达到(-170±2)dB,并优化金属管壳的圆盘的尺寸,即水听器最大径,由36 mm缩小至28 mm,使水听器的封装进一步小型化。     

基于MEMS仿生矢量水听器的水声定向研究

MEMS矢量水听器不仅可以测量声压信号,还可以测量质点的振速信号,它具有与频率无关的偶极子自然指向性.单一的矢量水听器就能够测量水中的声压和质点振速.利用矢量水听器的这种特性,结合波束形成原理,采用数字信号处理(DSP)技术,设计了基于MEMS仿生矢量水听器的水声定向系统,并进行了实际测试,结果表明:该系统能很好地实现对目标360°方位的定向功能.     

迈克尔逊干涉型光纤水听器研究与实现

设计了对偏振衰落不敏感的迈克尔逊干涉型光纤水听器,系统通过使用直接调制光源的相位载波零差检测方式实现了光纤水听器相位载波(PGC)解调,并给出了实验测试结果。由2个水听器组成水听器阵进行了水池实验,结果显示:该干涉型光纤水听器有明显的指向性,具有一定的潜在实际应用前景。     

流体对MEMS矢量水听器共振频率的影响

由中北大学研制的MEMS仿生矢量水听器具有低频、灵敏度高等性能特点,但是由于流体的影响,水听器微结构在空气中的共振频率与液体中不同,为此研究了流体对MEMS矢量水听器共振频率的影响。首先,理论上分析了流体对共振频率的影响。然后,采用ANSYS对空气中和液体中MEMS矢量水听器的共振频率进行仿真。最后分别采用振动台和矢量水听器校准系统进行了测试。结果表明MEMS矢量水听器在水中的共振频率较空气中下降了约31.2%。     

MEMS矢量水听器减振结构的设计与研究

在MEMS矢量水听器现有结构的基础上,设计出一种新型减振结构,期望利用该封装结构衰减水听器工作时安装平台的振动噪声,削弱安装平台振动对水听器测量精度的影响,提高水听器的抗噪能力。结合理论分析确定减振材料并采用有限元软件进行仿真,对矢量水听器先后采用原有封装结构和减振封装结构进行封装,并通过振动台实验和驻波桶灵敏度测试。测试结果表明：该结构可有效实现对MEMS矢量水听器干扰信号的衰减,同时基本不影响水听器的接收灵敏度。     

调相谱检测技术下谐振式光纤陀螺实验研究

谐振式光纤陀螺(R-FOG)是新一代光学传感器的代表.提出一种基于调相谱检测技术的R-FOG开环系统.作为核心敏感部件的谐振腔是由长度为5.5 m的保偏光纤和耦合系数为20%的保偏耦合器组成.谐振腔直径为0.1 m.根据测试其谐振曲线,得到该谐振腔的自由谱宽、半高全宽、清晰度以及谐振深度分别为35.7 MHz、2.21 MHz、16.2和0.95.由上述谐振腔参数计算得到该系统的极限灵敏度为4×10-7rad/s.利用声光调制器在R-FOG顺时针和逆时针光路中引入不同的频率差,用于等效陀螺转动引起的Sagnac频差,得到了陀螺的模拟开环响应曲线.根据得到的等效输出响应曲线,计算出该系统的动态范围可达 13.5 rad/s到-13.5 rad/s.由开环响应曲线中得到系统的检测灵敏度为0.03 rad/s;采取措施克服系统中的噪声源,可以进一步提高系统的检测灵敏度.     

基于光弹效应的三分量光弹光纤地震加速度传感器

为满足强电磁场环境下的高精度三维地震勘探的需求,研制了一种高精度三分量光弹光纤加速度地震传感器,该传感器具有线性度好、抗横向谐振的特点.利用光弹原理,设计出三轴光弹敏感系统,可高精度检测加速度的三个轴向分量.采用双弹簧弹性系统,有效地提高了加速度传感器的抗横向谐振特性,且线性度好.该传感器的主要参数:共振频率为3 500Hz,横向灵敏度系数为0.11%,主轴相位灵敏度为3.7×10-3 rad/m·s-2.     

低频矢量水听器目标绝对方位估计海上试验研究

矢量水听器技术目前已被广泛应用于目标到达方位估计领域。因其具有与频率无关的指向性特点,即使利用单个矢量水听器也可以测定低至几十赫兹的低频目标方位,而标量水听器在低频的到达方位估计则需要巨大孔径的阵列才能完成上述测量功能。针对矢量水听器这一优点,对低频(100～300 Hz)声信号的方位估计性能进行了海上试验研究,并结合罗经同步测得的平台方位数据,给出了目标在大地坐标系下的绝对方位。海上试验结果表明:矢量水听器低频方位估计结果与GPS测量结果一致,在3.6km距离范围内,到达方位估计标准差不超过5°。