双T型MEMS仿生矢量水听器的设计与测试

根据当前声纳系统的需求,以MEMS技术为依托,结合仿生原理、压阻原理,提出了一种双T型矢量水听器。在分析T型梁结构力学特性的基础上,详细介绍了两种不同尺寸微结构的设计、加工和测试。采用ANSYS软件仿真,得出两种微结构的谐振频率分别为1993.3Hz和10.17KHz;利用MEMS加工工艺加工出水听器微结构并对水听器进行了封装;采用振动台标定和水下驻波场测试相结合的方法完成了水听器的测试。测试结果表明两种结构的双“T”型矢量水听器灵敏度达到-180dB 和 -192dB (1kHz,0dB参考值1V/μPa),具有良好的“8”指向性,矢量特性明显,动态范围为90.48dB(315Hz)。     

非本征光纤法珀传感器的振动特性研究

针对光纤法珀(Fabry-Perot,FP)超声波传感器振动特性,将传感器薄板振动简化为具有集中参数的二阶振动,推导二阶振动方程的集中参数(力阻抗、等效质量、弹性系数、集中力),获得传感器共振频率、振幅灵敏度与结构参数设计关系。测试直径2.52 mm、厚度150μm玻璃振动薄板在空气、水中的共振频率分别为205 k Hz及115 k Hz,水介质中共振频率振幅灵敏度约18 pm/Pa。制作的传感器可测试局放产生超声波的最小声压约1 Pa。     

矢量水听器自动校准系统的研究及实现

研制的矢量水听器自动校准系统在水声计量领域具有重要的应用价值,能够实现低频范围内矢量水听器的自动校准.利用动态信号采集卡采集被测信号和标准水听器的输出信号,对驻波管内的声场分布进行了测量分析,对系统的测量不确定度进行了分析评定,对声压灵敏度进行了比对测试.该系统校准矢量水听器的扩展不确定度为1.6dB.     

5Hz~10kHz频率范围矢量水听器国际主导比对

利用VHS56、VHS90和KPG-10作为比对传递用矢量水听器,中国杭州应用声学研究所与俄罗斯VNIIFTRI开展了 5Hz～10kHz 频率范围矢量水听器校准国际比对。利用各自的自由场互易法和垂直驻波管比较法校准装置,校准了3只矢量水听器X、Y、Z通道的灵敏度。从校准结果看,一致性较好,174个频率点中,仅有一个频点的校准值与参考值的偏差略微超过参考扩展不确定度,绝大部分频率点的测量偏差都小于±0.5dB,检验和验证了中俄双方矢量水听器校准装置的准确性和可靠性。     

PVDF-ⅠⅡ型压电薄膜高频水听器

本文介绍了一种内装宽带低噪声前置放大器的新型PVDF压电薄膜平面高频水听器。在100kHz～1MHz频率范围内,水听器灵敏度频率响应平坦,不均匀性小于±2dB;灵敏度级(包括前放增益)可达-205dB。     

MEMS仿生矢量水听器优化设计

针对纤毛式MEMS仿生单矢量水听器灵敏度偏低、频响曲线起伏较大的缺陷,对该结构水听器进行了优化设计.通过理论分析和仿真计算,从两方面进行了优化,一是纤毛材料的选择,选用光纤替代塑料柱体;二是设计了一种"半油半酯"新型封装结构.最后在国防水声一级计量站对该封装水听器进行了相应的校准测试.测试结果表明,该水听器性能较之前有了明显提高,灵敏度达到-165 dB(包括前置放大26 dB),频响范围为20 Hz～2 kHz(±4 dB),具有良好的"8"字型指向性.     

纤毛式MEMS矢量水声传感器的仿生组装

提出了一种纤毛式微机电系统（MEMS）矢量水声传感器的仿生组装技术.期望结合MEMS工艺和仿生组装工艺技术,解决复杂结构的仿生制造问题.文中简单介绍了仿生学理论以及定向探测机理.采用MEMS基硅微机械加工技术完成了传感器微结构的加工.通过模仿鱼类侧线器官神经丘感觉器的仿生结构,完成了传感器仿生微结构的组装,制作出纤毛式硅微仿生矢量水声传感器的模型样机.最后,完成了传感器的校准测试.测试结果表明,该水声传感器不但体积小、质量轻、结构简单,而且具有“8”字型的指向特性.该水声传感器的声压灵敏度为-197.7 dB（0 dB=1 V/μPa）.     

球形壳体障板声散射近场矢量特性

为了实现矢量水听器在水面或水下载体上的工程应用,研究了球形壳体障板声散射近场矢量特性。采用弹性薄壳理论结合边界条件导出了球形壳体障板声散射的声压和质点振速表达式,给出相应的声强表达式。数值计算了球形壳体障板声散射的近场特性,重点关注其近场矢量特性。理论分析和数值计算结果表明,由于球形壳体障板的散射作用,声压场和质点振速场表现为复杂的干涉结构;质点振速方向和声源方位不一致;声压和质点振速不再同相;声强方向也不再反映声源方位。本文结果为矢量水听器在球形载体和球形障板条件下的工程应用提供理论依据。     

矢量水听器的低频相位校准方法

描述了一种在平面驻波声场中,对矢量水听器进行相位校准的方法,该方法可以在20Hz～2kHz频率范围内,对矢量水听器的矢量通道和声压通道之间的相位差进行校准.     

矢量水听器性能参数测试及分析

随着声呐探测系统性能和稳定性的不断提高,矢量水听器因能同时共点测量声波的声压和振速信息,已开始应用于声呐探测系统。为保障海上实验,设计制作了胶囊形三维压电同振式矢量水听器。依据比较法测量原理,分别在驻波声管和消声水池中,对矢量水听器的x、y、z和p通道的低频段和高频段进行了灵敏度和指向性测试。测试结果表明,该型矢量水听器灵敏度较高、指向性较好,能够满足海上实验的需求。     

A new multilayer planar PVDF standard hydrophone and itsapplications

A new type of PVDF hydrophone, the multilayer planar PVDF hydrophone, is described. The hydrophone disturbs measured acoustic fields very little and has a high sensitivity. The noise-equivalent pressure of the hydrophone is 45 dB re 1 μ Pa per Hz bandwidth. The working frequency range of the hydrophone is 20 kHz~4 MHz. In the range 100 kHz~1 MHz, the hydrophone has a flat frequency response with sensitivity -205 dB ±1.5 dB (0 dB=1 V/μPa). In this range, the hydrophone has been used for five years as a standard one. Two other applications (measurements of noise spectra and ultrasonic imaging) are also reported     

中频同振柱型矢量水听器及其支撑结构设计

针对同振型矢量水听器后期悬挂金属弹簧或橡胶绳给使用者带来不便的问题,提出一种中频同振柱型矢量水听器及其支撑结构的设计方案。通过矢量水听器振动系统对其声学特性进行分析,通过ANSYS有限元软件,利用Mooney-Rivlin理论对圆环形橡胶弹簧在压缩情况下的水平剪切刚度进行仿真计算,分析了Rivlin参数对橡胶弹簧剪切刚度的影响,并研制出矢量水听器样机。在1000~4000 Hz频率范围内,对矢量水听器进行了测试,并给出了测试结果。在1 k Hz时,声压灵敏度为-195 d B,指向性凹点深度大于20 d B。测试结果表明,此种设计免除了反复悬挂金属弹簧或橡胶绳带来的负面效应。     

A silicon electrostatic ultrasonic transducer

An electric ultrasonic transducer is developed by using a silicon IC process. Design considerations are first presented to obtain high sensitivity and the desired frequency responses in air. The measured transmitter sensitivity is 19.1 dB (0 dB=1 μbar/V) at a point 50 cm away from the devices, when the devices are operated at 150 kHz. The receiving sensitivity is 0.47 mV/Pa in the 10-130-kHz range, with bias voltages as low as 30 V. An electronic sector scanning operation is also achieved by time-sequentially driving seven elements arranged in a linear array on the same chip. The results should be helpful in the design of phased-array transducers integrated with electronic scanning circuits     

Concave cymbal transducers

 A new type of cymbal transducer, called the concave cymbal, has been developed to increase the pressure tolerance and reliability of the transducer under high hydrostatic pressure. The main feature of the new design is a lead zirconate titanate ceramic ring sandwiched between two concave metal endcaps. It shows much improved pressure performance and can withstand a pressure of up to 6 MPa while maintaining high effective hydrostatic piezoelectric coefficients. When incorporated into a planar array with a radiating area of 5.5 cm×5.5 cm and weight of only 30 g, a transmitting voltage response of around 125 dB re 1 μPa/V @ 1 m was obtained over a frequency range between 20 and 50 kHz. Received: 14 October 1998 / Reviewed and accepted: 15 October 1998     

0.01～1 Hz水声声压标准装置的研究

为了精确测量和分析低于1Hz频率的甚低频水声信号，建立了0．01～1Hz水声声压标准装置。装置由声压生成系统、正弦振动系统和电子测量与控制系统所组成，采用静水压激励法产生0．01～1Hz频率范围内变化的声压。在低频段的声压值为195．86Pa。在高频段的声压值由于受振动惯性力的影响，随频率的增高而减小，但通过对等效高度的精确求定也可精确已知。装置可直接校准甚低频水听器的开路电压灵敏度值，校准值的扩展不确定度为0．3dB(P=95％)。     

基于光纤矢量水听器的浅海噪声矢量场特性研究

基于简正波理论分析了浅海噪声矢量场声压和质点振速的强度特性,仿真了浅海声压和质点振速的噪声强度在深度和频率上的变化特性,噪声矢量场强度特性仿真结果与实验测量结果一致。针对声场测量的有效性,给出了加速度通道自噪声谱级和灵敏度必须满足的关系式,并提出了降低自噪声对接收系统影响的两种措施。最后分析并对比了系统自噪声谱级和海洋环境噪声谱级,结果表明,声压通道的自噪声比环境噪声谱级低20 d B左右,Y通道和Z通道的自噪声比环境噪声低3.5 d B以上,X通道的自噪声谱级在200 Hz附近与环境噪声谱级最为接近,约比环境噪声低1.5 d B。     

用于MEMS仿生矢量水听器流激噪声抑制的“三明治”式封装结构设计与性能测试(英文)

MEMS仿生矢量水听器具有体积小、成本低、安装方便、有矢量性等优点,将MEMS仿生矢量水听器应用于水下环境必须解决透声、绝缘、流激噪声抑制等问题.为此,在前期单层聚氨酯封装结构的基础上,提出聚氨酯-水-聚氨酯"三明治"式封装结构,外层聚氨酯直径36 mm,内层聚氨酯直径32 mm.完成了"三明治"式封装结构设计计算与试制测试;并通过典型使用环境实验验证该封装结构的流激噪声抑制能力.实验结果表明在20~1 000 Hz内该封装结构在几乎不损失灵敏度和矢量性的前提下,比前期的封装结构在抑制流激噪声能力方面提高20 dB以上.     

A Novel Vector Hydrophone Based on the Piezoresistive Effect of Resonant Tunneling Diode

This letter reports a novel vector hydrophone based on the piezoresistive effect of resonant tunneling diode (RTD). An external pressure introduces stress in the layers of RTD and induces its current-voltage (I-V) curves change. This effect has been applied to designing new sensor. By control-hole technology, the sensor is processed integrated with GaAs/In_xGa_1-xAs/AlAs double barrier structures posited on its strain-sensitive region. The fabricated sensor is packaged for watertight solution, and underwater measurements are conducted in RTD's negative differential resistance (NDR) region. Directivity curve of the sensor follows ";8"; cosine functional form, which shows its vector sound signal detection ability, and its sensitivity reaches -184.6 dB (0 dB = 1 V/muPa) at 1 KHz.