基于球形压电陶瓷的耐压水听器

利用球形压电陶瓷自身所具有的耐压能力,采用径向极化空气背衬压电球壳换能器作为声学接收敏感元件,设计并制作了一种球形耐压水听器。首先对其低频开路接收灵敏度和谐振频率等声学特性进行了分析和有限元仿真,然后对其强度和稳定性等耐压性能进行了分析和有限元仿真,最后对其声学性能和耐压能力进行了测试。测试表明,该球形耐压水听器的直径为36 mm,工作频段为50 Hz～10 kHz,低频接收灵敏度为-198.4 dB (0 dB=1 V/μPa),等效自噪声谱级为46.5 dB@1 kHz,其耐压深度可达3000 m。该耐压水听器为大深度水听器设计提供了参考,在深水声学领域具有重要的应用价值。     

圆柱形超高静水压水听器设计与测试

(本文介绍了一种应用于20Hz~20kHz频段、最大工作深度5000米的超高静水压水听器,水听器敏感元件采用厚壁压电陶瓷圆管,高强度复合泡沫去耦,通过对敏感元件及水听器结构进行合理设计,保证水听器具有高的耐压强度。设计了一种圆柱形高静压耦合腔,根据耦合腔声学和力学条件,确定了腔体尺寸及厚度,在国内首次实现了最高50MPa压力下的水听器低频灵敏度测试。测试结果表明,水听器常压下接收灵敏度响应平坦,在常压到50MPa压力范围内,水听器低频接收灵敏度最大变化小于2dB,表明该型水听器具有良好的压力稳定性,可在深海资源勘测、深海通讯等方面获得广泛应用。)     

水下回波处理中分数阶傅里叶变换的带通采样实现方法

利用球形压电陶瓷自身所具有的耐压能力,采用径向极化空气背衬压电球壳换能器作为声学接收敏感元件,设计并制作了一种球形耐压水听器。首先对其低频开路接收灵敏度和谐振频率等声学特性进行了分析和有限元仿真,然后对其强度和稳定性等耐压性能进行了分析和有限元仿真,最后对其声学性能和耐压能力进行了测试。测试表明,该球形耐压水听器的直径为36 mm,工作频段为50 Hz10 kHz,低频接收灵敏度为􀀀198:4 dB(0 dB=1 V/Pa),等效自噪声谱级为46.5 dB@1 kHz,其耐压深度可达3000 m。该耐压水听器为大深度水听器设计提供了参考,在深水声学领域具有重要的应用价值。     

20 Hz~10 kHz光纤水听器相移灵敏度校准

利用相位生成载波解调技术精确测量光纤水听器的光相移量,在20 Hz~10 kHz频率范围实现了光纤水听器探头相移灵敏度的校准.20 Hz~1.25 kHz频段采用驻波管比较法进行校准,1.25 kHz~10 kHz频段采用自由场脉冲比较法进行校准.利用本文建立的校准系统,对TMD 35#光纤水听器的相移灵敏度进行校准,校准结果表明,两种方法测得的相移灵敏度具有很好的一致性,在1.25 kHz频率点的相移灵敏度值偏差为0.8 dB.不确定度分析表明,该校准系统的扩展不确定度(k=2)为0.9 dB.     

高频宽带嵌套式复合材料换能器*

研制了一种嵌套式高频宽带复合材料换能器,利用1-3型压电复合材料Q值较低、频带较宽的特点,采用组合式的结构拓展换能器的工作带宽。通过切割框型压电陶瓷、灌注环氧树脂得到压电复合材料框型敏感元件,再将不同厚度的框型敏感元件沿轴向嵌套从而制成多层嵌套的压电复合材料敏感元件。建立1-3型压电复合材料中压电小柱的等效电路,根据等效电路计算出压电小柱的谐振频率,并与1-3型压电复合材料的谐振频率理论计算结果进行对比。通过ANSYS软件对敏感元件结构进行仿真,并根据仿真结果确定了敏感元件的最佳设计方案。最终制作出的换能器进行水下测试,该换能器的谐振频率为310kHz,最大发送电压响应为188.5dB,-3dB带宽可达130kHz,接收灵敏度最大可达-186.8dB,-3dB带宽可达90kHz,谐振频率处-3dB的指向性开角约为2.4°。该嵌套式敏感元件可实现换能器宽带发射与接收声波的目标。     

20Hz～10kHz光纤水听器相移灵敏度校准

利用相位生成载波解调技术精确测量光纤水听器的光相移量,在20 Hz～10 kHz频率范围实现了光纤水听器探头相移灵敏度的校准.20 Hz～1.25 kHz频段采用驻波管比较法进行校准,1.25 kHz～10 kHz频段采用自由场脉冲比较法进行校准.利用本文建立的校准系统,对TMD 35#光纤水听器的相移灵敏度进行校准,...     

干涉型光纤水听器相位载波调制-解调中信号混叠产生的机理及解决方案

信号混叠是制约基于相位载波调制-解调的光纤水听器系统走向应用的一个关键问题。对信号混叠产生的机理进行了详细的理论分析和仿真,结果表明,提高光源调制频率和降低探头灵敏度都无法有效解决光纤水听器实际应用中遇到的高频干扰引起的混叠问题。基于声学滤波器原理,提出了一种新颖的声低通滤波解决方案。设计并加工制作了一种简单的声低通滤波光纤水听器,在驻波罐中对其声压灵敏度频响进行了测量。实验结果表明,该光纤水听器在测量频带上具有较好的声低通滤波特性,低频声压灵敏度约为-140 dB(0 dB=1 rad/μPa),高频衰减大于20 dB,对高频干扰有较强的抑制能力。该方案十分简单经济,能从根本上有效地解决相位载波调制-解调中的信号混叠问题。     

全光光纤水听器系统海上试验

阐述了光纤水听器拾取声压信号的基本原理。研制的光纤水听器探头尺寸为Φ22 mm×100 mm,相位灵敏度为-160 dB(参考值1 rad/μPa),波动小于3 dB,系统最小可测声压在1 kHz频点为43.5 dB,与零级海洋噪声水平相当。光纤水听器与标准水听器采集的宽带信号相关系数大于0.94,信号基本一致。23基元1 km传输全光湿端光纤水听器阵列于2002年8月在渤海进行了海上试验,相邻基元采集的气枪信号相关系数大于0.98,阵列具有良好波束指向性。光纤水听器关键技术的成熟为其走向应用奠定了良好基础。     

圆环状复合材料高频宽带水声换能器

研制了一种圆环状高频宽带水声换能器。利用压电复合材料Q值低从而频带宽的特点,采用双环轴向堆叠产生双模态耦合的结构方式拓宽换能器的带宽。通过理论分析与仿真计算,确定敏感元件几何尺寸。用切割-浇注-被覆电极等工艺制备出压电复合材料圆环;再将制备出的外径相同,壁厚不等的压电复合材料圆环轴向叠堆制成叠堆敏感元件,最后灌注防水透声层制成换能器。对制得的换能器进行水下性能测试,测得该换能器谐振频率为410 kHz,最大发射电压响应为150 dB,-3 dB带宽达60 kHz,水平指向性开角(-5 dB)为360°,-3 dB垂直指向性开角约20°。结果表明将复合材料圆环轴向堆叠可显著拓展换能器的带宽,且实现声波的水平全向发射。      

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。      

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     

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。      

拖曳线列阵用光纤水听器的研究

报道了光纤水听器用于拖曳线列阵的研究结果。在保证光纤水听器声相位灵敏度的前提下, 优化设计了光纤水听器的结构,降低了光纤水听器的加速度灵敏度36dB。实验测得在20-1600Hz 频段,该光纤水听器的相位灵敏度为-162．7dB,频段内灵敏度的起伏为±0．7dB,加速度灵敏度小于-30dB。     

分布反馈式光纤激光水听器的声压灵敏度频率响应特性

光纤激光水听器的频率响应曲线会在声压传递函数的谐振频率处出现谐振峰,使水听器的工作频带变窄。研制了一种金属膜片端面增敏结构的分布反馈式(DFB)光纤激光水听器。基于电声类比理论,建立了DFB光纤激光水听器的声压传递函数模型,仿真分析了水听器各结构参数对水听器声压传递函数的影响,实现了水听器结构的优化设计,加工制作了水听器原型样品并进行了实验研究。由实验结果可知,DFB光纤激光水听器在2.5~10kHz频率范围内的平均声压灵敏度为-135.99dB,波动幅度小于±0.6dB,且在16kHz附近出现谐振峰,实验结果与仿真分析结果较好地吻合。该研究对DFB光纤激光水听器的研制具有重要指导意义。     

一种用于大坝混凝土声层析成像用水听器线阵

声层析成像技术可以用图像的方式精确完整地反映层析面上检测体内部质量,是一种有效的无损检测手段。在大坝混凝土的安全隐患检测中发挥着越来越重要的作用,本研究旨在研制成像用的接收声波的水听器线阵,水听器线阵由12个水听器阵元组成,阵元间隔2m,水听器由直径40mm的接收型压电园管和前置放大器组成,水听器在低于20kHz的频率范围内,自由场接收电压灵敏度为-173±-3dB,在2MPa静水压力下灵敏度下降不超过2dB。制作了二例了具有清晰接收波形、一致性和可靠性好的水听器线阵,最终为客户在现场实地获得了高质量的层析图像。     

ZnO薄膜硅微压电矢量水听器

提出了一种基于ZnO压电薄膜的硅微压电矢量水听器,其核心部件是利用微电子机械系统(MEMS)技术制作的悬臂梁结构压电加速度计。由近似解析和有限元分析,得出加速度计的灵敏度和谐振频率,并在此基础上对其进行了优化设计。研制了MEMS压电加速度计,并装配后构成MEMS矢量水听器。测试结果表明:加速度灵敏度在20~1,200 Hz范围内约为0.83 mV/(m/s2)。经过液柱法测量,在1 kHz时,MEMS矢量水听器等效声压灵敏度为-229.5 dB (ref.1V/μPa),比同类型压阻式MEMS矢量水听器的灵敏度高17 dB以上。      

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.     

芯轴型光纤水听器频率特性研究

提出了一种带空气腔芯轴型光纤水听器的结构模型,并对其频率特性作出研究.通过对带空气腔芯轴型光纤水听器的基本原理和结构进行分析,得出光纤与弹性筒作用的相互关系;通过建立动力学等效模型,得出带空气腔芯轴型光纤水听器频率特性的理论模型.通过对各个参量进行分析,指出芯轴型光纤水听器频率特性的主要制约因素与改善方法.根据提出的结构,在一定参量下的制作出探头,经过试验测试,其3 dB带宽达到了30 kHz左右,验证了提出的模型理论.     

10～500 kHz水听器的激光外差干涉法原级校准

阐述了水听器在10~500 kHz频率范围的激光外差干涉法原级校准的原理和测量装置。利用激光外差干涉系统非接触测量水中反光薄膜在声波调制下引起的多普勒频移,经过零点信号解调算法得到水质点振速,准确复现水下声压量值,之后将水听器置于水中测量点完成对其自由场电压灵敏度的原级校准。对各误差因素进行了分析,详细给出了系统测量不确定度的评定方法,在所测频段的不确定度为0.6 dB (k=2)。将激光外差干涉法水听器校准结果与自由场互易法结果进行了对比,在整个测量频率范围内结果等效,且前者不确定度更小。为建立新的水声计量基准和实现水声量值的扁平化传递奠定了基础。      

普通单模全光纤化水听器及其驱动电路设计

提出了一种普通单模全光纤化水听器及其驱动电路的设计方法。选择了传输波长为1550nm的单模光纤,采用多量子经阱分布反馈(multi-quantum well distributed feed back, MQW-DFB)半导体激光器作为系统光源,选用MAX3263和MAX038分别设计激光驱动器和高性能正弦波信号发生器,用InGaAs PIN作为光电探测器。实验测试表明：设计的光纤水听器的灵敏度比标准水听器（压电型）高50dB～60dB（在1kHz～30kHz范围）。