四阶声低通滤波光纤水听器的声压灵敏度频响特性

对四阶声低通滤波光纤水听器的声压灵敏度频响特性进行了详细的理论和实验研究.在已有的低频集中参量模型中引入了一个机械声阻,用于描述系统的机械损耗,从而得到了改进的声学等效电路.相位频响特性对于光纤水听器的阵列应用非常重要,关系到阵列的波束形成效果,进而影响系统定位、识别与跟踪目标的能力,因此在分析幅度频响特性的同时研究了相位频响特性.仿真分析了各主要参量对声压传递函数的影响,得到了一些对声低通滤波光纤水听器设计具有重要指导意义的结论.实测声压灵敏度频响曲线与仿真结果基本一致,较好地验证了理论分析的正确性.四 关键词： 光纤传感器 光纤水听器 声压灵敏度 低通滤波器     

液体粘滞系数对声低通滤波光纤水听器声学特性的影响

理论和实验研究了液体粘滞系数对声低通滤波光纤水听器声压灵敏度频响特性的影响.为了更好地描述声低通滤波光纤水听器的声学特性,在已建立的低频集中参量模型中,引入了一个用于描述系统机械损耗的参量,即机械声阻,从而得到了改进后的声压传递函数表达式.仿真结果表明,粘滞系数主要影响共振频率附近的响应,随着粘滞系数的增加,共振频率基本不变,共振峰值迅速下降.利用蓖麻油粘滞系数随温度变化较大的特性,在充油驻波罐中测试了不同温度下声低通滤波光纤水听器的声压灵敏度频响,结果与仿真曲线基本吻合,较好地验证了理论分析的正确性.     

二阶声低通滤波光纤水听器的声压灵敏度频响特性

信号混叠是基于光纤水听器的现代声纳系统走向应用必须解决的一个关键问题.初步的实验结果已经表明,声低通滤波光纤水听器是解决信号混叠问题的一种简单且行之有效的方案.基于电一声类比理论,建立了声低屯瞬ü庀怂鞯牡推导胁瘟磕Ｐ?利用电路分析的方法对其频响特性进行了研究.结果表明,这种光纤水听器系统与典型的二阶低通滤波电路具有相似的频响特性.为了验证理论分析的正确性,设计制作了一个简单的声低通滤波光纤水听器,并在驻波罐中对其声压灵敏度频响特性进行了测试,实验结果与数值计算的结果基本吻合.该光纤水听器低频响应非常平坦,声压灵敏度约为-141 dB,测量共振频率为985 Hz,与理论值1270 Hz基本一致.共振频率处的声压灵敏度为-126.8 dB,衰减速率约为20 dB/倍频程,3000 Hz以后的灵敏度衰减幅度大于20 dB.     

光纤Bragg光栅水听器特性及实验研究

论述了光纤Bragg光栅（FBG）水听器探头基元 （FBG）的传感特性,分析了FBG的耦合系数、反射率、反射带宽和栅长对光纤Bragg光栅水听器传感特性的影响.通过改进光纤Bragg光栅水听器探头封装结构,增加了其压力敏感系数.并将实验结果与标准水听器（压电型）比较,标定出光纤Bragg光栅水听器的声压灵敏度；对传感信号进行电路解调,得出了解调结果,结果显示与原始声波信号基本一致.试验表明,在1 kHz~25 kHz的声波检测范围,光纤Bragg光栅水听器响应平坦度好,信号输出稳定,证明文中采取的改进措施是有效的.     

MEMS仿生矢量水听器微结构的有限元分析（英文）

结合压电原理和仿生学理论,利用MEMS工艺制作的仿生矢量水听器,具有高灵敏度、宽频带、矢量性及高信噪比等特点。为了进一步提高水听器预测水下环境中声学特性的准确性并提高其固有频率,利用有限元方法对MEMS水听器仿生微结构进行优化分析。首先,对仿生微结构固有频率和灵敏度与其结构尺寸关系作了理论分析并画出不同微结构尺寸下的固有频率和最大应力曲线。其次,运用ANSYS软件对仿生微结构进行有限元仿真并画出固有频率和最大应力响应曲线。对比分析理论与仿真结果,得出当悬臂梁长、宽、厚及仿生纤毛的高度和半径分别为400,80,50,1000和80μm时,MEMS矢量水听器的性能得到最优化,同时对理论与仿真结果的差异进行了分析。     

MEMS仿生矢量水听器微结构的有限元分析

结合压电原理和仿生学理论,利用MEMS工艺制作的仿生矢量水听器,具有高灵敏度、宽频带、矢量性及高信噪比等特点。为了进一步提高水听器预测水下环境中声学特性的准确性并提高其固有频率,利用有限元方法对MEMS水听器仿生微结构进行优化分析。首先,对仿生微结构固有频率和灵敏度与其结构尺寸关系作了理论分析并画出不同微结构尺寸下的固有频率和最大应力曲线。其次,运用ANSYS软件对仿生微结构进行有限元仿真并画出固有频率和最大应力响应曲线。对比分析理论与仿真结果,得出当悬臂梁长、宽、厚及仿生纤毛的高度和半径分别为400, 80, 50, 1000和80 m 时,MEMS矢量水听器的性能得到最优化,同时对理论与仿真结果的差异进行了分析。     

MEMS仿生矢量水听器微结构力学建模及实验验证

MEMS仿生矢量水听器是一种新型水声传感器, 其工作性能决定于内部MEMS声电换能微结构的几何、材料及流体环境参数。为深入探讨该水听器的工作机理并提高其工作性能, 针对其内部微结构通过合理的简化建立了相应的单自由度等效力学模型, 并推导出理想流体环境下该微结构一阶固有频率与其几何、材料及流体环境参数间的解析表达式。在此基础上, 推导出现有水听器微结构的一阶固有频率, 并搭建实验平台进行验证, 实验结果表明理论值与实验值间的相对误差低于5%, 从而验证了该力学模型的有效性, 为水听器的设计及优化提供了理论基础和参考依据, 同时也为具有类似结构的传感器的性能分析奠定了基础。     

弹性板结构封闭声腔的结构-声耦合特性分析

对弹性板封闭声腔结构-声耦合机制、耦合特性、耦合作用对系统固有频率和模态的影响以及影响结构-声耦合程度的系统物理参数进行了深入的理论与数值仿真分析,并导出了耦合系统固有频率估计式。结果表明：强耦合系统具有较强的闭环反馈系统特征,弱耦合系统具有较强的前馈系统特征；正是由于反馈环节的存在,改变了结构、声腔系统的固有特性和固有频率；发现了规则结构-声腔模态簇耦合的特性；并且发现模态间的簇耦合机制决定了整个结构-声腔系统的耦合作用；任何一簇的结构或声模态仅独立影响其同一簇的声或结构模态以及其耦合后的模态固有频率,而对其它簇的模态没有影响；模态间的簇耦合作用不仅能改变系统固有频率,还会改变耦合系统模态次序和板奇奇模态的模态形状。     

光纤Bragg光栅水听器探头的特性及实验研究

论述了FBG水听器探头基元——光纤Bragg光栅(FBG)的传感特性,分析了FBG的耦合系数、反射率、反射带宽和栅长对FBG水听器传感特性的影响。通过改进FBG水听器探头封装结构,增加了其压力敏感系数。并将实验结果与标准水听器(压电型)比较,标定出FBG的声压灵敏度,在1～25KHz的声波检测范围,其响应平坦度好、信号输出稳定,改进措施是有效的。     

散热片对变压器声辐射的影响及优化分析*

油浸式配电变压器表面布有大量散热片结构,使得油箱振动声辐射变得复杂。该文研究了散热片结构对油浸式变压器辐射声场的影响,在此基础上提出了散热片结构尺寸的优化措施。建立了考虑流固耦合的变压器振动和声学分析模型,提出了散热片声场效应评判准则,基于模态分析和频响分析探讨了散热片对变压器振动声辐射影响的振动效应、声源效应和声障效应。实验数据和仿真分析结果表明,变压器散热片对变压器振动声辐射的影响不可忽视,尤其是声源效应。采用遗传算法对散热片分布和尺寸参数进行优化分析,计算结果表明,通过优化散热片可以有效降低变压器表面均方振速和辐射声功率,可为变压器噪声控制和优化提供依据。     

液腔耦合高灵敏度压电陶瓷水听器

提出一种利用液腔模态提高接收灵敏度的压电陶瓷标量水听器,称为液腔耦合水听器。该水听器用径向极化的压电陶瓷圆管作为敏感材料,将圆管的外侧壁和上下端面屏蔽而仅使其内侧壁接收声压信号。用"能量法"对压电圆管的振动做了详细分析并给出了等效电路;利用有限元方法预测了水听器的接收性能,并制作、测试了水听器样机。实测证明,在1~8 kHz频率范围内,液腔耦合水听器比相同尺寸的外壁接收圆管水听器的灵敏度有显著提高,在液腔谐振频率附近接收灵敏度达到-181 dB,比后者高10 dB以上。液腔结构的引入,能在较宽频率范围内显著提高水听器的接收灵敏度。      

聚（偏二氟乙烯-三氟乙烯）压电圆管水听器

提出了高灵敏度压电共聚物圆管水听器设计方法,论述了聚(偏二氟乙烯-三氟乙烯)[P (VDF-TrFE)]材料结构与压电特性的关系,利用解析法和有限元法,分析了多振动模式耦合特性对压电共聚物圆管水听器灵敏度响应的影响规律,仿真分析了圆管水听器的耐静水压特性和噪声特性,与相同结构的压电陶瓷和压电均聚物水听器相比,压电共聚物圆管水听器低频段灵敏度分别可提高20 dB和5 dB以上,研制了尺寸为Φ14 mm × 55 mm的压电共聚物圆管水听器样品,经测试,在10 Hz~1 kHz频段内水听器灵敏度响应达到-181.8 dB±1 dB,等效自噪声压低于零级海况海洋环境噪声,与理论模型结果有良好的一致性。结果表明,该设计显著提升了圆管水听器的低频接收灵敏度,并为其耐静水压性能提升提供了思路。      

带加速度补偿的DFB光纤激光水听器

针对分布反馈式光纤激光水听器在用于水声探测时极易受加速度效应干扰的问题,设计了一种双膜片对称结构的光纤激光水听器,对该水听器的抗加速度性能进行了研究.建立了双膜片结构水听器的加速度灵敏度理论模型,分析了水听器各部件的尺寸大小、材料参量与水听器加速度灵敏度的关系,实现了对水听器结构的优化设计;加工制作了分布反馈式光纤激光水听器原型样品,并进行了实验研究.测量结果表明,在2.5~10kHz的频率范围内,该结构水听器的平均声压灵敏度为-132.6dB,波动幅度不大于±0.5dB,加速度灵敏度小于-28dB.该水听器在保证了较高声压灵敏度与平坦的响应曲线的同时,抗加速度性能也得了有效改善,可大大提高光纤激光水听器阵列在运动状态下对远距离目标探测的信噪比.     

一种具有声低通滤波特性的无源零差光纤水听器

报道了一种新颖的具有抗混叠功能的无源零差迈克耳孙型光纤水听器.它由一个普通的芯轴型光纤水听器和一个圆柱型亥姆霍兹共振器构成.在驻波罐中对其声压相位灵敏度频响进行了测量,结果表明该光纤水听器具有较好的声低通滤波特性,能有效地抑制声信号中的高频成分,从而实现抗混叠滤波.该光纤水听器的低频声压相位灵敏度主要由传感光纤长度和弹性增敏层的物理特性决定,约为-159 dB(0 dB=1 rad/μPa).在1150 Hz附近出现了一个共振峰,这主要由圆柱型亥姆霍兹共振器的声学特性决定.1150～2280 Hz频段内的灵敏度衰减率约为50 dB/倍频程,1500 Hz以后的灵敏度衰减量大于10 dB.这对于提高我国未来声纳系统的抗干扰能力具有十分重要的意义.     

含侧腔的机械抗混叠声低通滤波光纤水听器

报道了一种含侧腔的机械抗混叠声低通滤波光纤水听器.基于电-声类比理论建立了该光纤水听器的低频集中参量模型,画出了声学等效电路图,利用电路分析方法给出了声压传递函数表达式,并对其声学特性进行了理论分析.研究表明,该光纤水听器具有三个共振频率,由于侧腔的引入使得传递函数出现了一个零点,从而加快了第二个共振频率之后的衰减速度,可以获得更好的高频整体衰减特性.在充水驻波罐中对自行设计并制作的含侧腔的声低通滤波光纤水听器进行了测试.在50—7000 Hz频段上,该光纤水听器的声压灵敏度频响曲线与理论结果具有大致相同的变化形式,低频响应非常符合,声压灵敏度约为-140 dB（0 dB=1 rad/μPa）,受低频模型精度的限制,高频响应差异较大.这为解决光纤水听器的高频混叠问题提供了一条简单可行的技术途径. 关键词： 光纤传感器 光纤水听器 声压灵敏度 低通滤波器     

复合液腔高灵敏度水听器

探索新的换能器结构是提高换能器性能的主要途径之一。设计了一种利用液腔结构提高接收灵敏度的水听器,称为复合液腔水听器。该水听器用压电陶瓷圆管作为敏感材料,并将其放在一个底部开孔的金属圆桶内。在流体中,开孔圆桶形成两个频率不同的液腔谐振模态,并与压电陶瓷圆管的径向谐振模态衔接在一起,形成具有一定带宽的高接收灵敏度频段。采用有限元方法对水听器进行了优化设计并研制了水听器样机。水池测试结果表明,该水听器样机在1.5 k Hz～11.5 k Hz频率范围内灵敏度保持在-185 d B以上,比传统的压电陶瓷圆管水听器结构具有显著优势。     

一种耐静压分布反馈式光纤激光水听器探头设计

大深度工作环境下，静水压会引起分布反馈式光纤激光水听器反射中心波长漂出解调系统的复用窗口，使水听器无法解调目标声压信号；不同的静水压也会引起分布反馈式光纤激光水听器灵敏度的变化，影响光纤激光水听器阵列的一致性。基于电力声类比理论，提出带静压补偿的分布反馈式光纤激光水听器探头，建立结构的声压传递函数，分析各结构参数对传递函数的影响，为分布反馈式光纤激光水听器探头频率响应平坦化设计提供理论依据。加工制作了耐静压分布反馈式光纤激光水听器样品进行测试，在0 kHz～10 kHz频率范围内声压灵敏度波动范围不大于±2.4 dB，2.3 MPa内出射激光中心波长漂移量不大于0.06 nm，对深水光纤激光水听器的研究具有指导意义。