可刚性固定的同振圆柱型矢量水听器的设计

针对同振型矢量水听器使用弹簧悬挂不便的问题,提出一种采用圆环型橡胶弹簧作为悬置元件的新型可刚性固定式同振圆柱型矢量水听器的设计方案。该水听器可直接固定在水下平台用于测量水下声波质点加速度信号。推导了内置加速度计的该型水听器的声压灵敏度表达式。通过理论计算出橡胶弹簧的剪切刚度,并应用有限元软件ANSYS对剪切刚度进行了仿真分析并制作了水听器样机。在0.5~2.5 k Hz的频率范围内,对矢量水听器的声压灵敏度和指向性进行了测量。1 k Hz时,声压灵敏度为-188 d B。测量频带内,指向性凹点深度均大于20 d B。实验结果表明,此种结构的矢量水听器可以实现刚性固定的目的。     

基于二维压差式矢量水听器源估计误差分析

由于组成二维压差式矢量水听器的4阵元间的幅频和相频响应不一致造成了其运用声能流进行方位估计时会产生误差,而这一误差大小对二维压差式矢量水听器的制作和实际工程有很重要的意义。因此将针对二维压差式矢量水听器声能流方位估计误差进行了推导和分析。文章主要分为以下4个部分:①二维压差式矢量水听器的结构;②声能流方位估计的原理;③分析了由于组成二维压差式矢量水听器的各声压水听器不一致导致的方位估计误差;④对信号方位角度为30°时,在不同信噪比条件,4声压水听器不一致情况进行了方位估计误差仿真。文中给出了仿真结果。仿真结果表明在相同信噪比条件下,由于相位偏差对压差式矢量水听器方位估计产生误差远大于由于幅度偏差而产生的方位估计误差。     

声强测量系统用双水听器的校准方法研究

利用双水听器组成声强探头进行声强测量是研究水下声源和结构振动声辐射特性的有效方法之一，由于用互谱法计算声强时，采用有限差分代替导数，因此对双水听器的一致性要求很高。在耦合腔中采用传递函数法进行双水听器接收复声压的一致性校准，并采用易地交换测量消除声场不均匀性的影响，实验证明易地前后两个水听器输出电压传递函数的几个平均结果能够准确量双水听器幅度和相位的一致性偏差。     

三叠片式加速度计的优化设计及其在矢量水听器中的应用

使用压电方程结合梁弯曲公式和有限元仿真的方法建立了三叠片式压电加速度传感器的数学模型,通过实验验证了模型的正确性. 对三叠片式压电加速度传感器的结构进行了优化设计,在不改变传感器几何轮廓的基础上提高了传感器的灵敏度,并定量分析了不同的结构对传感器性能的影响. 提出了三叠片式压电加速度传感器在矢量水听器中的应用方案,使用有限元法对矢量水听器进行了分析计算,制作了矢量水听器样品并对其主要性能进行了测试.     

一种面向MEMS矢量水听器的硅纳米线制备方法

为了进一步提高MEMS矢量水听器灵敏度,把硅纳米线作为压敏单元,将硅纳米线工艺引入到MEMS矢量水听器制备过程中,利用其所具有的巨压阻效应来提高MEMS矢量水听器的灵敏度.本文提出了一种自上而下的微加工工艺方法,将TMAH(四甲基氢氧化铵)各向异性腐蚀和干法刻蚀法结合来制备出硅纳米线,其中TMAH腐蚀形成屋檐结构,干法刻蚀形成氧化硅掩模图形以及硅纳米线.该制备方法与半导体工艺相兼容,能够实现与MEMS水声传感器的集成.     

降低光纤水听器加速度灵敏度的研究

光纤水听器是利用光纤技术探测水下声波的新型传感器。全光纤干涉型水听器因与光的干涉技术相结合而具有极高的灵敏度,而且具有在远距离,恶劣环境,无源检测和复用系统中应用的优点。为了充分发挥光纤水听器声压灵敏度高的优势必须设法降低其对加速度的响应灵敏度。本文对心轴式结构的M－Z干涉型光纤水听器在加速度作用下产生输出的机理进行了分析,定量计算了加速度灵敏度,提出了在探头结构设计上采取措施,降低加速度灵敏度的方案,并用实验验证了方案的可行性。     

压差式矢量水听器驻波场校准实验研究

压差式矢量水听器的校准一直是国内尚未解决的难题,针对此问题设计了一种基于光纤传感的压差式矢量水听器,对其传感原理进行了理论分析,为其设计了驻波场校准方案,对驻波场校准此类压差式矢量水听器进行了理论分析和计算机仿真,最后对此压差式矢量水听器进行了声压灵敏度和方向性的测试,实验结果与理论分析和计算机仿真比较吻合.这些研究对压差式矢量水听器的应用具有重要的意义.     

矢量水听器阵波束域MVDR方法研究

矢量水听器可同时拾取声压和振速信息,成阵后水听器间的相移信息量增大.基于矢量水听器阵的波束形成性能明显由于单纯声压水听器阵.矢量水听器阵可用常规方法进行波束形成,但其方位分辨率有限.已经有人研究了矢量水听器阵的最小方差无失真响应波束形成算法(MVDR),但属于对阵元域信号进行的直接处理,运算量较大.本文提出一种基于矢量水听器阵的波束域MVDR算法(BMVDR).该算法首先将矢量水听器阵元的空间数据转换到波束空间,然后对转换后的数据再运用MVDR算法.结果,不但实现了降维处理,减小了运算量,同时可进一步抑制扫描扇面外的噪声.对BMVDR算法进行了仿真并与常规MVDR算法进行了比较.结果表明,本文方法可得到与常规MVDR算法相当的方位分辨能力.     

新型换能器技术的进展

介绍了PVDF圆柱型水听器、大面积平板PVDF水听器、钹式换能器、弛豫铁电单晶换能器、小体积低频大功率发射换能器等方面的研究进展.PVDF圆柱型水听器用灌注成型和复合膜卷绕技术制作而成,性能稳定,一致性好.大面积水听器具有能使流噪声非相干抵消的优点.研制的大面积平板PVDF水听器样品灵敏度高,具有较平坦的响应.Cymbal换能器体积小、重量轻,灵敏度高,结构较简单,加工方便.驰豫铁电单晶换能器的灵敏度比同样的压电陶瓷换能器高5～6dB.小体积低频大功率发射换能器由7个Cymbal换能器并联组合推动盖板辐射声波,体积小重量轻,发射灵敏度高.     

直杆式光纤水听器探头自由振动特性分析

光纤水听器探头是光纤水听器系统的基础。分析了直杆式光纤水听器探头的自由振动特性，用Rayleigh法导出了其基频计算的理论公式，讨论了光纤水听器探头基频的影响因素，并且利用ANSYS对其前几阶固有频率和模态进行了模拟分析，数值结果与解析解比较吻合。     

圆环形声基阵低频超增益性能研究

对均匀噪声场中基阵超增益波束形成的权向量及阵增益进行了推导。以小尺度圆环形基阵为例，对位于空间均匀噪声场中的水听器阵作超声益处理及线谱和宽带被动检测方法进行了计算机仿真。对所述基阵超增益波束形成和常规波束形成的方向性图和空间增益进行了比较，通过仿真真验证了超增益方法和正确性，超增益波束形成可以获得比常规波束形成更窄的波束宽度和更高的空间增益，由于超增益阵具有尺度小，空间增益高的特点，对于改进低频被动声纳的检测性能具有重要的意义。     

矢量阵的非空间ESPRIT算法

矢量水听器同时测量声场中某点的声压和质点振速的正交分量,单个矢量水听器可视为空间共点阵.建立了任意阵型矢量阵的数据模型,研究了任意阵型矢量阵的非空间ESPRIT算法.非空间ESPRIT算法不是利用空间2个子阵组成的矩阵对,而是利用矢量水听器不同的输出分量组成矩阵对完成目标的二维角度(水平方位角和仰角)估计.仿真研究了该算法对单个源和多个源方位估计的情况,并利用外场试验数据验证了算法的有效性.结果表明,在当时的试验条件下,常规波束形成获得的主瓣波束宽度为30°左右,而非空间ESPRIT算法对目标方位估计的标准差为3°左右,说明基于矢量阵的非空间ESPRIT算法在未知阵列流形的前提下可对目标进行高精度方位估计.     

水用检波器快速测试仪的设计与实现

为检测水用检波器在固定频率的灵敏度,以便快速准确地确定检波器的好坏,设计了水用检波器快速测试仪．测试仪主要由信号源模块、功率放大模块、数据采集模块和显示模块等部分组成,以ATmegal28为主控芯片,利用A／D转换芯片AD7663进行数据采集,将检波器的灵敏度实时地显示在液晶屏上,以便观察．测试结果表明,快速测试仪的最大偏差为0．5gV／Pa,测试结果与标称值的平均相对误差为0．93％．可见,快速测试仪的测试结果准确,且重复性较好．     

体积噪声矢量场空间相关特性研究的一种方法

确定噪声场的相干结构对分析矢量水听器阵信噪比增益非常重要.建立了一个三维的噪声源在球面上均匀分布的各向同性噪声模型,研究了噪声场中声压与质点振速3个正交分量的自相关和互相关特性,推导得到了窄带噪声场空间相关系数的解析表达式以及单矢量水听器接收噪声的协方差矩阵.基于三维噪声场的空间相关函数,讨论了矢量水听器线阵的某些应用及其输出信噪比增益.数值算例表明,该三维噪声场空间相关特性模型可方便地应用于任意形状的基阵在任意姿态下的信噪比输出的获取.     

一种配置混沌振子的光纤水听器

在海洋中,海水的流动噪声很大,水听器接收到的被测船体的信号往往是信噪比很低的微弱信号．一般的时域检测系统,可检测的信号的最低信噪比门限难以达到-20dB,并且检测时间较长．介绍一种配置混沌振子的光纤水听器系统,利用混沌振子对被测周期小信号的敏感性和对噪声的免疫力,获取水声信号．与时域检测方法（如多点采样积分方法）相比较,具有更低的最低信噪比门限,和更短的测试时间．     

Field measurement method for ultrasonic transducer based on inverse Abel transform

A new reflection approach for field distribution measurement of ultrasonic transducers was investigated. Instead of a point-like reflection target (rigid sphere) or thin wires (line-like targets), a line response function of experimental knife-edge distribution combined with the inverse Abel transforms was used to estimate the lateral beam distributions of ultrasonic transducers. The measurement steps were as follows:① A knife-edge was scanned perpendicularly to acoustic beam axis of the transducer using an ultrasonic C-scan system to obtain its ultrasonic image line response function, ② the transverse beam distribution was solved by the inverse Abel transforms, and ③ experiments were performed to obtain the lateral beam profiles of two transducers, with and without focus, and the results were compared with those from a hydrophone. The results showed that this method was effective for ultrasonic field measurement and could be as a substitute for hydrophone in most cases.     

基于矢量阵的自初始化MUSIC方位估计算法

MUSIC空间谱估计突破了常规波束形成中的锐利限,能够对目标进行高精度方位估计.探讨了MUSIC算法在矢量阵上的应用,给出了矢量线阵MUSIC噪声子空间谱估计表达式,利用单个矢量阵元的阵簇估计提供的初始参数,对MUSIC噪声子空间谱进行迭代搜索谱峰实现目标的方位估计,用以提高目标方位估计的精度.对单目标和双目标方位估计进行了仿真研究,在文中的仿真条件下,当满足信噪比大于5dB的条件时,可对目标方位进行较好估计.研究结果表明,通过单个矢量阵元阵簇得出的目标方位估计精度较差,而迭代搜索MUSIC谱峰方法提高了方位估计精度.