用于空气声测量的质点振速传感器

矢量传声器的核心组成器件是质点振速传感器,该传感器具有与频率无关的‘8'字指向性。本文在分析空气声质点振速传感器工作原理基础上,采用数值分析方法系统研究了质点振速传感器中敏感头桥式结构尺寸、热扩散和材料比热容等参数对频率响应的影响,着重分析了质点振速传感器最优灵敏度和低通滤波器效应。根据优化设计结果,采用MEMS工艺技术加工出敏感头桥式结构,并测试了0℃条件下Pt的电阻值R和热阻温度系数θ,以及传感器的频响曲线和‘8'指向性。实验结果表明:空气声质点振速传感器具有良好的声学性能。     

用于空气声测量的质点振速传感器

矢量传声器的核心组成器件是质点振速传感器,该传感器具有与频率无关的‘8'字指向性。本文在分析空气声质点振速传感器工作原理基础上,采用数值分析方法系统研究了质点振速传感器中敏感头桥式结构尺寸、热扩散和材料比热容等参数对频率响应的影响,着重分析了质点振速传感器最优灵敏度和低通滤波器效应。根据优化设计结果,采用MEMS工艺技术加工出敏感头桥式结构,并测试了0℃条件下Pt的电阻值R和热阻温度系数θ,以及传感器的频响曲线和‘8'指向性。实验结果表明:空气声质点振速传感器具有良好的声学性能。      

基于双面质点振速测量的声场分离技术

现有的声场分离技术或是基于双面声压测量或是基于单面声压和质点振速测量。本文以二维空间傅里叶变换法作为声场分离算法,提出一种基于双面质点振速测量的声场分离技术。论文首先推导出了该方法的理论模型,随后通过仿真研究验证了该方法的有效性,并通过与基于双面声压测量的声场分离方法的比较说明了其优越性。结果表明:采用基于双面质点振速测量的声场分离方法可以有效实现声场分离;基于双面质点振速测量的声场分离方法可以获得更高的质点振速分离精度,而基于双面声压测量的声场分离方法可以获得更高的声压分离精度。      

基于等效源法和双面质点振速测量的声场分离方法

目前基于等效源法的声场分离方法有两种输入方式, 一种以双测量面上的声压为输入, 另一种以单测量面上的声压和质点振速为输入. 本文以双测量面上的质点振速为输入, 提出一种新的基于等效源法的声场分离方法. 首先给出了该方法的理论推导, 然后通过数值仿真和实验验证了该方法的有效性. 通过与基于双面声压测量的声场分离方法的比较, 证明了该方法在分离质点振速方面的优越性. 此外, 在仿真中还研究了干扰声源强度和测量面间距对分离精度的影响. 关键词： 声场分离 质点振速测量 等效源法 近场声全息     

声矢量传感器研究进展

声矢量传感器由传统的无指向性声压传感器和偶极子指向性质点振速传感器复合而成,可以同步共点测量声场中一点处的声压和质点振速若干正交分量,由此得到的幅度和相位信息为解决一些水声问题提供了新的思路。因其实际的和潜在的工程应用价值,所以在最近十年间与此相关的声矢量传感器技术备受水声界关注。本文尝试综述声矢量传感器技术近五十年间在物理基础、传感器设计制作、相关工程应用等各方面的发展历史、现状和所取得的一些研究进展。PACS数: 43.30,43.60,43.85     

基于矢量水听器的水下目标低频辐射噪声测量方法研究

矢量水听器由声压传感器和质点振速传感器复合而成,可以空间共点、同步测量声压和质点振速的各正交分量。本文利用矢量水听器测量水下目标低频辐射噪声,给出了测量的基本原理。证明了:（1）在各向同性噪声场中质点振速的最大空间增益为约 4.8 dB;有功声强的空间增益与时间带宽积有关,（2）在各向异性场中,有功声强的空间增益取决于噪声场的空间分布。计算机仿真结果和海上试验结果也在文中给出。     

基于声压-振速测量的平面近场声全息实验研究

常规的近场声全息均是采用全息面声压或质点振速作为输入量求解,由于采用单一输入量无法分离来自全息面背向声波的干扰,因此要求所有声源均位于全息面的同一侧,即测量声场为自由声场,这种要求大大限制了近场声全息的实际应用.基于声压-速度测量的近场声全息以全息面上声压和质点振速同时作为输入量,通过建立和求解两侧声源在全息面上的声压和质点振速耦合关系,可以实现全息面两侧声波的分离,从而解决上述问题.文中在前期对声场分离技术研究的基础上,基于欧拉公式和有限差分近似,推导了新的基于声压-速度测量的平面近场声全息理论公式.随后通过实验检验了该方法在有背景源干扰情况下实现声场分离和重建的有效性.     

非自由声场中目标声场还原与重建的等效源方法

为消除在非自由声场中重建声场时干扰声源对重建效果的影响,提出一种采用单个测量面上的声压和质点振速作为输入、等效源法作为分离和重建算法的非自由声场中目标声场还原与重建方法。该方法首先利用单面声压-质点振速测量和基于等效源法的声场分离技术将测量的混合声场分离为来自目标声源的向外传播的声场和来自干扰声源的向内传播的声场,然后利用向内传播的声场和目标声源的边界条件计算出干扰声在目标声源表面产生的散射声场,并将其从向外传播的声场中去除,还原出目标声源在自由声场条件下的辐射声场,最后利用还原的声场实现目标声场重建。通过数值仿真和实验检验了该方法的有效性和必要性。仿真和实验的结果表明,该方法可以在非自由声场的测量条件下,有效地去除干扰声的影响,实现目标声场的准确重建。      

基于矢量水听器的声压和质点振速的空间相关系数

矢量水听器同步测量声场空间一点处的声压和质点振速的三个正交分量,由此得到的幅度和相位信息有利于改善声呐的检测和估计性能。对三维球形各向同性噪声场中声压和质点振速的时空相关性本文进行了研究,推导了矢量水听器的噪声协方差矩阵的理论表达式;给出了矢量水听器水平线阵和垂直线阵的协方差矩阵;研究单个矢量水听器的噪声协方差矩阵,并给出了浅海近岸水域的试验结果;利用上述理论结果推导了矢量水听器阵列的声能流阵增益。     

适用于硅微谐振器件测量的光纤位移传感器研究

对一种适用于硅微机械谐振器件测量的光纤位移传感器进行了研究,该光纤位移传感器探头采用了单根光纤探测形式和光纤“X”耦合器结构,在微弱光电传感信号处理上采用了“锁相放大器”提取方案,可以实现对静态位移和振动位移两种场合进行测量.对该传感器的实测结果表明:该传感器测量范围为0～100 μm,测量灵敏度3.95 mV/μm,精度等级优于1%,重复性优于0.5%.为作为应用实例,运用该传感系统对一种微悬臂梁硅微谐振器件进行了测量,成功提取了硅微谐振器件的微弱谐振信号,证实了该传感器可以实现对硅微谐振器件的非接触和无损测量,并具有非接触、易调试、高灵敏度等优点.     

海洋环境噪声场中声压和质点振速的空间相干

研究海洋环境噪声场中声压和质点振速的三个正交分量间的空间相干。假定海洋介质水平分层,非相关偶极子噪声源均匀分布于海面,由射线声学理论出发,导出了计算噪声场中声压和质点振速的空间相干矩阵的积分表示式。积分式中的被积函数包含一噪声强度垂直指向性因子,海洋介质分层条件通过该指向性因子影响噪声场的空间相干。针对浅海和均匀半空间环境,给出了相应的空间相干计算结果,发现海洋水文和海底对噪声场中声压和质点振速空间相干的影响不可忽略。     

基于激光直写的微流光学触摸传感阵列

设计并制作了一种基于激光直写技术的光学触摸传感器件。该器件采用光学微流结构实现对外加压力的连续比例测量。器件制作采用紫外激光直写技术配合高精度平移台实现,整体工艺过程在3min内完成。对所设计的传感器件的性能测试表明,光强信号随外力变化的曲线平滑,实测灵敏度为0.995mV/kPa。同时设计并制作了基于传感单元的阵列结构,不仅消除了光学累积误差,而且对集成化触摸传感的应用具有优势。     

匹配垂直质点振速的浅海地声参数反演

海底声学参数对海洋波导中的声场特性研究和相关应用具有重要意义。针对一次夏季黄海声传播实验,分析了浅海负跃层环境下垂直质点振速的传播特性和简正波结构,说明当声源和接收器均位于负跃层下时,除海底附近外的大部分深度上垂直质点振速能量较高,且与声压相比,号数高的简正波对垂直质点振速的贡献更大,利用垂直质点振速进行匹配场反演能获得更高的海底参数敏感性。分析了海底吸收系数对垂直质点振速匹配场反演的影响,结果表明只有当进行匹配场反演时设置的海底吸收系数接近真实值时,才能获得准确的海底声速、密度和海深反演结果。利用实验中矢量水听器获取的垂直质点振速信号进行匹配场反演,将海底吸收系数在变化范围内取不同值对海底声速、密度和平均海深进行全局搜索,根据代价函数值最大确定了海底声速、密度及平均海深的反演结果,并利用不同距离上的声压传播损失反演出不同频率下的海底吸收系数。根据反演得到的海底声学参数计算声压传播损失,与实验中声压水听器测量结果符合较好。     

使用激光测振技术校准水听器灵敏度

介绍了我们利用激光测振技术在 １０～ ２００ ｋＨz频段建立的一套校准水听器灵敏度的测试装置。在该套装置中,通过激光测振仪直接测量声波作用下水介质的质点振速并导出相应的声压量值,然后利用该声压量进行待测水听器灵敏度的校准。由于不存在换能器非线性和非互易性等因素的影响,整套装置的测量不确定度减小到 ０．５ ｄＢ左右,同时该方法还具有操作方便的特点。     

质点振速传感器直线阵超指向性波束形成*

声矢量传感器及其组阵方式的研究已成为水声领域的热门课题。该文研究了当单自由度矢量传感器（质点振速传感器）的观测方向沿直线阵轴线方向时的空间均匀噪声场中两阵元的噪声相关系数,然后采用Gram-Schmidt模态波束分解与综合方法推导了高阶超指向性的最优解,得到了直线阵端射方向的指向性指数和稳健性水平。仿真研究表明,当d / λ < 0.5 (d为阵元间距,λ为波长)时,质点振速传感器直线阵（简称质点振速阵）采用超指向性方法在端射方向的指向性指数略高于声压传感器直线阵（简称声压阵）;而当d / λ > 0.5时,质点振速阵的指向性指数远远高于声压阵。该文的研究内容对水下声纳系统中质点振速传感器的有效组阵和实际应用具有一定的参考价值。     

全面感知水声信息的新传感器技术——矢量水听器及其应用

文章介绍了一种新型水声接收换能器——矢量水听器(矢量传感器),它可以同时共点地测量声场的声压和矢量(水媒质质点振速,振动加速度或声压梯度等),使用矢量水听器比常规声压水听器能获得更全面的声场信息,因此,在水声技术中获得了广泛的应用.文中描述了矢量水听器的结构设计和工作原理及特性,给出了一些重要的应用例子.     

基于声压-振速测量的单面声场分离技术

在近场声全息技术的基础上,研究了基于声压-质点振速测量的单面声场分离技术.分析了现有基于Fourier变换的单面声场分离技术中的奇异性问题,并应用波数域谱平均法提出了去除奇异性的修正声场分离公式.为改善分离效果,减小由于Fourier变换引起的卷绕误差等因素的影响,基于统计最优近场声全息提出了一种新的单面声场分离方法.通过仿真分析对各种单面声场分离方法做了比较,并用Microflown公司的声强探头做了基于声压-振速测量的单面声场分离实验研究,验证了提出的修正公式和基于统计最优单面声场分离方法的正确性和有效性. 关键词： 声场分离 近场声全息 统计最优 Fourier变换     

Pekeris波导中简正波声强流及其互谱信号处理

探讨了Pekeris波导中声压场和质点振速场的联合描述,尤其关注垂直声强流的分析.研究表明,由于各阶简正波的干涉作用,水平和垂直声强流均既有有功分量,亦有无功分量.低频声场的垂直声强流的无功分量虽不参与声能的输运,当单个声矢量传感器做适当放置后却可用以判断声源的特定深度.这对于矢量信号处理是有意义的.给出了声压和质点振速联合互谱处理进行目标判别的算法.     

应变式电阻压力传感元件灵敏度的测定

虽然应变式电阻压力传感器得到广泛应用,但对传感器本身的灵敏度的测试却鲜有研究.为此,提出了测量应变式电阻压力传感元件灵敏度的方法,并设计了测量电路,对其灵敏度进行了理论分析、推导和实验测量与验证.该方法有助于学生深入了解该传感器的性能及其应用技术.     

热声转换的声表面波电压传感机制

提出了一种基于热声转换的高灵敏声表面波(SAW)电压传感机制并开展实验验证。从传热角度以及微扰理论出发建立了基于热声转换机制的SAW电压传感理论模型,探索了结构参数以及环境因素对SAW电压传感器灵敏度的影响规律。为了验证理论模型,在Y切石英基底上同芯片集成设计MEMS微型加热器与200 MHz声表面波器件以制备SAW电压传感器件,并搭建电压测试平台对传感器件开展性能测试。实验结果表明所制备的SAW传感器件电压与频率响应之间具有二次线性关系且在室温(20℃)下具有与理论相近的电压灵敏度(22.4 kHz/V),此外实验获得的环境温度对电压灵敏度的影响规律与理论相符。基于热声转换机制的SAW电压传感器能够显著的提高电压检测灵敏度。