一种用于大坝混凝土声层析成像的水听器线阵

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,该水听器线阵由12个水听器阵元组成,阵元间隔2 m,水听器由直径40 mm的接收型压电圆管和前置放大器组成。水听器在低于20 k Hz的频率范围内,自由场接收电压灵敏度为-173±3 d B,在2 MPa静水压力下灵敏度下降不超过2 d B。制作了2例具有清晰接收波形、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。     

分布反馈式光纤激光水听器拖曳线列阵实验研究

为了进一步增大光纤拖曳阵的探测距离,研制了缆径为16mm的32元分布反馈式光纤激光水听器拖曳线列阵.阵元在10~2 000Hz频率范围内的平均声压灵敏度为-142.7dB(re 1rad/μPa),波动幅度小于±2dB.基于声光调制器的时分、波分联合复用技术实现了32元光纤激光水听器的多路复用,各个阵元之间以及各个通道之间的串扰均小于-40dB,并完成了静态和动态拖曳湖上实验.实验结果表明,研制的32元分布反馈式光纤激光水听器拖曳线列阵无论是在静态,还是在6~16节的动态拖曳状态,都能对目标形成稳定的波束指向,与GPS轨迹记录完全一致,展现了分布反馈式光纤激光水听器拖曳线列阵在工程上的应用前景.     

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。     

应用于拖曳细线阵的光纤水听器研究

研制了一种直径为13 mm的空气腔推挽式双臂对称补偿结构的光纤水听器,介绍了该光纤水听器的工作原理,优化设计了光纤水听器结构。在小直径情况下,保证了较高的声压灵敏度,同时获得了较低的加速度灵敏度。实验测得在80～2500 Hz频段内,该光纤水听器的平均声压灵敏度为-142.5 dB,灵敏度的起伏小于±0.8 dB,加速度灵敏度小于-20 dB。实验结果表明,研制的空气腔推挽式双臂对称补偿结构的光纤水听器,能很好地满足拖曳细线阵的使用要求。     

弛豫铁电单晶弯曲梁矢量水听器研究

研制了一种弛豫铁电单晶(PMNT)二维矢量水听器,矢量通道和声压通道分别由两个正交压电单晶复合弯曲梁振子和PZT-5压电陶瓷圆管组成。基于弹性力学理论和水下质点振速测量原理对弯曲梁矢量水听器进行建模,推导给出了接收电压灵敏度表达式,分析了弯曲梁应力分布对矢量水听器接收性能的影响以及PMNT压电单晶材料与弯曲梁结构的匹配问题。在理论分析的基础上,研制了PMNT压电单晶和PZT、-5压电陶瓷矢量水听器样品并进行测试。测试结果表明:压电单晶矢量水听器与压电陶瓷矢量水听器相比,接收电压灵敏度提高11 dB,自噪声降低3 dB,测试结果与理论结果相符。      

用于矢量水听器的弯曲圆盘型声压水听器

针对在同振型矢量水听器中有效地复合声压通道的问题,提出一种采用压电双迭片结构的弯曲圆盘型声压水听器。压电双迭片由中心开孔的压电圆片和金属背衬组成,采用弯曲振动工作模式。为提高声压水听器的灵敏度,分别通过理论计算和有限元仿真的方法对双迭片结构进行了分析与优化设计,并制作了一只声压水听器样机用于实验验证。测试结果表明,声压水听器的灵敏度为-157 dB(0 dB re 1 V/μPa),在25 Hz~1000 Hz频带内分布平坦,并具有全指向性的特点。综合理论研究与实验室测试结果,这种弯曲圆盘型声压水听器成功满足了低频宽带声信号接收的需要,达到了复合同振型矢量水听器对声压通道的设计要求。     

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。      

一种有源型光纤水听器原理与实验分析

分析了一种有源型光纤水听器的水声传感原理,在一段掺铒光纤中写入具有π相移的光纤光栅构成光纤激光器,水声压力作用在激光器上引起激光波长的移位,采用干涉法检测出波长移位引起的相位变化即得到声压的信息.水声探测实验表明,有源型光纤水听器的声压灵敏度为-166.5 dB(参考值1 rad/μPa).将不同工作波长的四元光纤水听器串接于一根光纤内组成水听器阵列,使用带通波分复用器将阵列发出的激光分离至各独立通道后检测出相应的声压信号,测得水听器之间的级串扰小于-60 dB,且单元水听器水声响应的动态范围不受影响.     

弱反射光纤光栅水听器拖曳线列阵

提出一种细尺寸、大孔径、高增益的弱反射光纤光栅水听器拖曳线列阵。根据匹配干涉方法选用反射率一致、中心波长相同以及3 dB带宽较宽的弱反射光纤光栅阵列;根据水声传感原理确定弱反射光纤光栅阵列的栅距以应用于5～10 Hz甚低频水声信号探测。采用光纤涂覆机对弱反射光纤光栅阵列二次涂覆,阵列中心波长整体一致漂移,栅距基本不变。采用扎纱机和护套机在二次涂覆弱反射光纤光栅阵列外铺设凯夫拉纤维和聚氨酯保护套形成水听器拖曳线列阵。测试拖曳线列阵水听器单元的声压-相位灵敏度在1 rad/μPa条件下分别为-136.97 dB@5 Hz、-139.64 dB@7.5 Hz、-139.36 dB@10 Hz;分析流噪声引起的水听器自噪声功率谱,拖速为8 m/s、频段为1～100 Hz的谱值在45～95 dB(1μPa~2/Hz)范围内。实验和分析结果表明,所提出的弱反射光纤光栅水听器拖曳线列阵甚低频段灵敏度高、流噪声低,有望增强无人航行器的甚低频水声信号探测功能。     

高温高压声接收换能器的研制和校准

我们研制了一种带毛细孔的能耐150℃和1420atm的高温高压声接收换能器(水听器),并在直径为70mm,高为290mm的圆筒形腔体内用就地互易法在上述高温高压条件下进行了校准.在频带为10Hz—10kHz的频率范围内,接收电压灵敏度为—195±1.5dB(0dB为1V/μPa),水平方向性的不均匀度小于±1.5dB.在常压到1420atm的压力范围内,接收电压灵敏度随压力的变化小于1dB;在150℃时的接收电压灵敏度,较常温下的接收电压灵敏度,只降低3dB.     

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。     

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。)     

100kHz～500kHz压电复合材料标准水听器

本文介绍了一种我们制作的可应用于100kHz～500kHz频段的标准水听器,水听器敏感元件采用1-3型压电复合材料,通过对敏感元件及水听器结构进行合理设计,从工艺上保证水听器性能的稳定、可靠,制作完成的标准水听器满足高频标准的所有技术指标要求。测试结果表明,水听器的接收灵敏度大于-194dB,频段内灵敏度起伏为2.9dB,最高使用频率-3dB波束宽度大于20度;稳定性考核表明,水听器有良好的温度、时间稳定性,是一种比较理想的中高频标准水听器,适合于水声的校准和中高频声信号测试。     

低加速度灵敏度水听器

本文介绍了一种用于拖曳线列阵声呐的压电陶瓷型水听器，我们在提高水听器工作稳定性与可靠性，并确保水听器有较高接收灵敏度的前提下，进行了水听器的结构方案优化设计，以降低水听器的加速度灵敏度，研制的水听器接收灵敏度为－１９３ｄＢ，在２０－１０００Ｈｚ频段内灵敏度起伏为１．２ｄＢ，加速度灵敏为－７０ｄＢ。     

弛豫铁电单晶弯曲梁矢量水听器研究（英文）

A two-dimensional vector hydrophone was developed utilizing the PMN-PT relaxor ferroelectric single crystal,which is composed of a dual-axis piezoelectric composite flexural beam accelerometer and PZT-5 piezoelectric ceramic rings.Based on the principle of elastic mechanics and underwater particle velocity measurement,the receiving voltage sensitivity of the flexural beam vector hydrophone is derived.The influence of stress distribution in the flexural beam on the performance of hydrophones is analyzed,and the match between PMNPT single crystal cells and the structure of flexural beam is studied.The tested results indicate that the PMN-PT hydrophone presents an 11 dB increase in sensitivity and a 3 dB decrease in self-noise than the PZT-5 one.     

Slotted piezoelectric ring deep ocean hydrophone

Based on the energy method,the underwater resonance frequency equation and electrical admittance curve of the slotted piezoelectric ring are derived.By establishing the equivalent circuit of slotted piezoelectric ring in low-frequency receiving condition,the lowfrequency open circuit voltage sensitivity of slotted piezoelectric ring is deduced.Compared the low-frequency receiving sensitivity of the slotted piezoelectric ring and the complete ring,the thought to design the deep ocean hydrophone is presented,which combines the slotted piezoelectric ring and the free flooded structure.By establishing finite element simulation model of free flooded slotted piezoelectric ring,the relationship between ring structure parameters and low-frequency open circuit voltage sensitivity are discussed.Through the simulation and optimization,the deep-sea slotted piezoelectric ring hydrophone with the resonance frequency of 600 Hz is fabricated.The acoustic and pressure tests results indicated that the low-frequency open circuit voltage sensitivity of free flooded slotted piezoelectric ring hydrophone in work bandwidth 100-300 Hz is-193.2 dB and the least value is-197.9 dB with the-4.7 dB fluctuation.Hydrostatic pressure resistance of 30 Mpa is obtained.Compared with the same structure size free flooded piezoelectric ring hydrophone,the low-frequency open circuit voltage sensitivity of slotted piezoelectric ring hydrophone raised 20 dB.The results verify the practicability of deep ocean hydrophone presented here with free flooded slotted piezoelectric ring structure.     

Calibration of high-frequency hydrophone up to 40 MHz by heterodyne interferometer

A calibration technique for high-frequency hydrophone utilizing a heterodyne interferometer is presented in this article. The calibration system is mainly composed of optical and signal processing modules. In the displacement measurement, a pellicle is mounted at the surface of water to avoid acousto-optical interaction. The phase modulated carrier signal is digitized and transferred to the computer, then processed by digital phase demodulation. A phase unwrapping algorithm is employed to remove ambiguity of the arctangent function and has proven effective in large displacement measurements. Pellicle displacement and voltage output of the hydrophone in focused ultrasonic field are processed by DFT to determine the amplitudes of the fundamental and harmonic components. Experiments show that the heterodyne technique can provide hydrophone calibration up to 40 MHz, with a slightly smaller sensitivity compared with the National Physical Laboratory (NPL) calibration results for most frequency ranges. Since the heterodyne technique is independent on assumptions about the geometry of the ultrasonic field and the performance of the transducer, it can be easily extended to high frequency and high power ultrasound measurement applications.