基于MEMS的压阻式一体化矢量水听器

随着水下探测技术的发展,为满足水听器更精准的定位和更远距离的探测要求,提出了一种基于微电子机械系统(MEMS)的压阻式一体化矢量水听器.设计了一套能够将硅纤毛与二氧化硅悬臂梁相集成的工艺方案,以期解决长期以来由于纤毛二次集成带来的一致性误差.对水听器的性能进行有限元仿真分析,通过应力仿真得出理论上能够将其灵敏度提高约1...     

一种仿侧线神经丘的MEMS矢量水听器设计

基于仿生学原理,设计了一种仿侧线神经丘的微电子机械系统(MEMS)矢量水听器。该水听器采用环形纤毛模拟鱼类侧线神经丘中的纤毛束与胶质顶,通过4个十字梁与集成在梁上的压敏电阻将声信号转换为电阻变化量,由电阻构成Wheatstone电桥将电阻变化量转换为电压信号。使用ANSYS软件对水听器结构进行了仿真,得到环形纤毛的结构参数。制作了水听器样机,通过比较校准法进行测试。测试结果表明该水听器带宽为20～1 000 Hz,灵敏度达到了-179.81 dB@1 kHz,在带宽内较单个十字梁与纤毛结构的纤毛式矢量水听器平均提高了15.55 dB,测试结果与仿真结论基本一致。     

高灵敏度扇面纤毛式MEMS矢量水听器

目前微机电系统（MEMS）矢量水听器的研究出现瓶颈。大量实验表明,水听器的灵敏度与探测带宽存在着相互制约关系。为保证水听器具有20~500 Hz的针对远距离船舶辐射噪声的可探测带宽,急需提高MEMS矢量水听器在低频探测的灵敏度。该文在普通纤毛式MEMS矢量水听器的基础上,提出在柱形纤毛上集成十字扇面,通过增大声压接收面积,来提高低频探测的灵敏度。通过ANSYS Workbanch多参优化确定十字扇面的尺寸,通过ANSYS15.0对优化后的尺寸进行验证。利用微机械加工法集成扇面与柱形纤毛,利用水听器校准系统来测试扇面纤毛式矢量水听器的灵敏度,结果表明,灵敏度满足每频程6 dB的增长趋势,在500 Hz时灵敏度达到-183.6 dB（0 dB=1 V/μPa）,比普通结构提高了近5 dB。     

集成硅纤毛的MEMS矢量水听器的压阻特性

水听器是水下探测的主要仪器,通过对其结构的研究和改进可显著提升其性能.针对现阶段矢量水听器所采用的纤毛二次集成方式所造成的一致性误差较大的问题,以硅纳米膜作为压敏单元,设计了一种新型基于微电子机械系统(MEMS)的压阻式矢量水听器.通过理论及仿真确定最优尺寸,进行一体化工艺流程的设计,将硅纤毛直接集成在二氧化硅梁上,既...     

锥形纤毛式MEMS矢量水听器的设计

微电子机械系统(MEMS)矢量水听器具有高灵敏度、低频探测能力和"8"字指向性等特点,在水下探测时表现出良好的性能。双层纤毛结构在相同悬臂梁负荷的前提下能够有效提高水听器的灵敏度,但在二次集成中仍然存在上纤毛发生偏斜的情况,并影响水听器的灵敏度和指向性。为了解决这一问题,提出了一种锥形纤毛式微结构。首先分析了双层纤毛式结构在实际操作中出现的一些问题,然后通过ANSYS仿真软件对锥形纤毛式微结构进行静力学分析、模态分析和流固耦合分析。最后,通过比较校准法对锥形纤毛式水听器进行灵敏度和指向性测试。测试结果显示,锥形纤毛式微结构不仅能避免二次集成中出现的问题,而且可以将灵敏度提高约0.9 dB,并将纤毛质量减小15%,展现出很好的工程应用前景。     

薄壁圆柱壳体压差式光纤矢量水听器

分析了薄壁圆柱壳体压差式光纤矢量水听器的基本原理.用光纤迈克耳孙干涉法测量水声压差信号,用琼斯矩阵理论分析了干涉系统的偏振衰落原因并用法拉第镜实现偏振补偿.分析了压差判向的声学原理,仿真了余弦指向性曲线.用轴对称问题的准静态弹性力学原理分析了水听器背衬结构模型,得出声压差相移灵敏度的解析式.实验设计并实现了薄壁圆柱壳体压差式光纤矢量水听器样机,其测量的声压相移灵敏度与理论计算结果基本吻合,其指向性测量与计算机仿真分析基本一致.在低频段灵敏度上取得了突破,为低频水声环境应用压差式矢量水听器提供了依据,为小尺寸高灵敏度光纤矢量水听器的研制提供了参考.     

混合集成型压阻式矢量水听器设计

提出一种小型化新型压阻式矢量水听器的设计、制作工艺方法.详细分析通过混合集成工艺技术制作的压阻式矢量水听器的性能指标:灵敏度、频率响应.实际设计、制作混合集成型压阻式矢量水听器并进行测试.得出采用本工艺制作出外形尺寸只有ψp22 mm×40 mm的三维矢量水听器具有良好的三轴正交性,每轴向具有良好的"8"字型指向性,且具有良好的低频特性,声压灵敏度可达到-190 dB.     

基于光纤碟型加速度传感单元的三维柱形矢量水听器

光纤矢量水听器(FOVH)以其低频灵敏度高,动态范围大,抗电磁干扰,易轻型化等诸多优势,成为新型矢量水听器的一个发展热点。针对线阵列应用,开展了光纤干涉碟型矢量水听器的仿真分析和研制工作。有限元分析采用光纤等效层方法(FLEM)和光纤细化结构方法(FLDM)分别对系统的性能进行预报,研制出了光纤碟型矢量水听器样品,并进行了全面的测试。实验结果表明,所研制的矢量水听器样品在100~1000 Hz的工作频带内,矢量通道的等效声压相移灵敏度为-182 d B@100 Hz~-158.5 d B@1000 Hz(ref.1 rad/μPa),串扰小于-30 d B,有良好的矢量性。     

基于矢量水听器的双基地声呐前向干扰抑制技术

针对双基地声呐系统中存在特殊的直达声及前向散射等前向干扰,提出了矢量水听器在主动声呐系统应用的概念.利用矢量水听器可电子旋转的单边组合指向性,结合姿态传感器可实时抑制强前向干扰.分析并仿真了矢量水听器声压和振速通道灵敏度和相位一致性对干扰抑制效果的影响,为双基地矢量声呐的理论和实验研究奠定了基础.     

一种压电单晶矢量水听器的性能建模与分析

针对加速度型矢量水听器在低频段灵敏度偏低问题,根据铌锌酸铅-钛酸铅(PZN-PT)压电单晶的性能特点,设计了一种双悬臂梁结构压电单晶矢量水听器。建立了有限元模型,对矢量水听器的振动模态和接收性能进行了仿真计算,重点分析了几个主要材料和尺寸参数对水听器自由场灵敏度的影响。理论计算表明,采用压电单晶PZN-PT的矢量水听器经优化后其灵敏度可达-190 dB@250 Hz,与压电陶瓷PZT-5A的水听器相比,灵敏度提升了15 dB以上。     

驻波管测试下压差式光纤矢量水听器的改进

压差式矢量水听器基于声场有限差分原理进行声压梯度测量,而光纤声压传感器结构相对复杂,在工艺上难以保证传感器间的灵敏度一致性.研究了声压传感单元不一致对压差式光纤矢量水听器的影响,指出声压传感基元灵敏度不一致对实际应用中的行波场条件下的测量影响更严重,采用传统的驻波管校准后的压差式光纤矢量水听器在实际运用中就会造成声压的相位测量误差.提出了可通过一维方向上采用双干涉仪结构来克服此问题,并分析了该结构的压差式光纤矢量水听器的驻波管校准方法,依据该方法进行测试,可克服声压传感基元灵敏度不一致的影响,使其能在实际中得以应用.     

一种新型MEMS矢量水听器的设计

针对国内对高灵敏、小体积、造价低的矢量水听器迫切应用需求的现状,提出了一种新型的双"T"型微机电系统(MEMS)矢量水听器。该敏感单元结构可一体化加工,且加工成本低,适合大批量生产,易于阵列化。采用ANSYS仿真,得出1阶共振频率为1 840Hz,压敏电阻位置距离梁根部180μm。对此结构进行声学封装与测试,测试结果表明,该水听器在1kHz的灵敏度达到-175dB,工作频段为100Hz～4kHz,具有良好的"8"指向性。     

压差式光纤矢量水听器声压相位灵敏度研究

该文介绍了压差式光纤矢量水听器及其基元的工作原理,并分析了光纤层等效处理对仿真结果的影响。基于有限元法对压差式光纤矢量水听器的基本性能进行了仿真分析,根据仿真模型所选定的参数研制压差式光纤矢量水听器样品,并对样品在频率为20～1 000 Hz时进行了测试。测试结果表明,声压相位灵敏度的仿真计算结果与实验测试结果基本一致,平均差值约为1.0 dB。研究结果表明,采用有限元法对压差式光纤矢量水听器的声压相位灵敏度进行仿真具有可行性。     

基于加速度传感的三维光纤矢量水听器实验研究

研制了全光湿端的基于加速度传感的三维光纤矢量水听器，介绍了它的基本结构，测试了加速度灵敏度响应，在水声一级计量站标定了指向性和声压灵敏度，进行了海上试验。实验结果表明，该光纤矢量水听器具有很高的灵敏度、较好的空间指向性和良好的低频响应，并有了初步的海上实用性能。     

四元阵列MEMS矢量水听器的有限元分析

运用ANSYS Workbench12.0有限元软件对一种单片四元阵列微机电系统(MEMS)矢量水听器微结构进行了有限元分析。首先介绍了四元微结构的工作原理,然后推导了四元微结构的数学模型并建立了有限元模型,最后对该微结构进行了静、动态特性分析,得到了该四元微结构的电压灵敏度为0.6 mV/Pa,维间耦合≤1.6%,固有频率为1 982.5 Hz,满足水听器设计指标。     

三维压差式光纤矢量水听器设计与实验

阐述了压差式光纤矢量水听器的基本原理,分析了基元灵敏度及间距对其声压灵敏度的影响,进行了三维压差式光纤矢量水听器探头结构设计,研制了二维压差式光纤矢量水听器样品,并进行了性能指标测试。测试结果表明,在20~1 000Hz频段内,压差式光纤矢量水听器的声压灵敏度与理论计算结果基本吻合,在500Hz具有良好的指向性。     

细长型光纤激光矢量水听器设计与仿真分析

针对细长型矢量水听器阵列的需求,提出了一种基于曲折梁的细长型光纤激光矢量水听器高灵敏度换能结构.根据弹性力学与振动理论,给出了该结构的灵敏度和谐振频率,并与现有的一些结构进行了对比,归纳出影响灵敏度与谐振频率的关键因素,探讨了在不降低谐振频率的前提下提高灵敏度的方法.建立了该曲折梁结构的三维ANSYS有限元仿真模型,由...     

高灵敏度宽频带阵列式仿生矢量水听器研究

针对MEMS仿生矢量水听器灵敏度和频带相互制约,不能同时满足宽频带高灵敏度测量的问题,在单个MEMS矢量水听器的基础上,设计了由四个单元构成的2×2单片集成微敏感结构阵列,实现了水听器的高灵敏度和宽频带。通过理论分析和ANSYS仿真分析,确定阵列微结构的尺寸,采用硅微机械加工工艺完成了阵列微结构的加工,最后在水声一级计量站对封装好的水听器进行了灵敏度和指向性校准测试。测试结果表明:该阵列式仿生矢量水听器未加前置放大时灵敏度达到-189 dB,频响范围20～5 000 Hz,具有良好的"8"字型指向性。