三维同振球型矢量水听器的特性及其结构设计

本文介绍了一种新型水声接收换能器－三维同振球型矢量水听器,这种水听器可以用来获取水下声场的矢量信息,文中概括地描述了矢量水听器的结构类型及其特性的表征;详细叙述了同振型三维矢量水听器的设计方法,给出了作者所研制的三维同振球型矢量水听器样器的声学特性测试结果。     

二维同振柱形组合矢量水听器

介绍一种采用两只压电加速度计作为敏感元件的二维同振型组合矢量水听器。叙述了该矢量 水听器的设计方法,给出了相应的灵敏度和指向性测试结果。     

采用双迭片压电敏感元件的同振柱型矢量水听器

介绍一种采用双选片作为压电敏感元件的同振柱型矢量水听器。描述了该矢量水听器的设计方法，并给出所研制该类型水听器的灵敏度和指向性测试结果。     

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。     

MEMS矢量水听器用于潜标系统的可行性（英文）北大核心CSCD

提出将MEMS矢量水听器应用于潜标系统,并进行了大量实验验证其可行性。MEMS矢量水听器是一种新型水下声学传感器,它具有体积小、成本低、一致性高和高灵敏度等优点。将水听器应用于潜标系统,可以大幅降低阵列孔径,进而有效地监测海洋声场的矢量信息。矢量水听器矢量通道的指向性与频率无关,在低频和甚低频同样可以获得良好的空间增益,应用在低频和甚低频领域中,可以有效地解决声纳设备体积庞大的问题。经过对系统样机进行多次室内驻波桶调试和外场湖试与海试,结果表明,该系统能有效检测海底20~1000Hz范围内的声场矢量信号,水听器此时的灵敏度可达-176dB,且具有良好的“8”字型指向性。实验结果证明了MEMS矢量水听器应用在潜标系统中进行海洋声场矢量信息探测的可行性,为MEMS矢量水听器在水下目标探测领域的研究提供了良好的试验平台,并为其工程化应用奠定了基础。     

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.     

薄壁球形导流罩对矢量水听器接收性能的影响

在实际使用时,为了减小流噪声对矢量水听器的影响,将其放置在流线型较好的导流罩内,因此对导流罩内矢量声场的计算是非常必要的。以水下弹性球壳为研究对象,从理论上研究了弹性薄球壳声透射对矢量水听器声场测量的影响;推导了平面声波对弹性球壳声透射的矢量声场数学表达式,计算了不同壳体参数下内充水弹性球壳的声透射矢量声场对矢量水听器各通道声波接收响应幅值和相位以及各通道接收指向性的影响。理论分析表明,弹性薄球壳透射声场对矢量水听器接收声场的影响与壳体机械阻抗和水听器安装位置密切相关,水听器安装偏差对其声场测量影响比较大。     

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。     

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/s~2)。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。     

一种基于矢量水听器阵的归一化加权Capon波束形成方法

矢量水听器同时拾取声场的标量信息声压和矢量信息振速。本文在分析了各向同性噪声场下矢量水听器阵Capon波束形成方位谱的基础上，提出了一种归一化加权Capon波束形成的改进算法，并给出了方位谱的表达式。本方法不需要特征分解，并且得到的是通常意义上的功率谱(可用于估计信号的能量)。仿真计算表明，此方法的性能优于Capon法，可大大提高方位估计的精度。     

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.     

Cymbal piezoelectric composite underwater acoustic transducer

The working principle of Cymbal piezoelectric composite underwater acoustic transducer was studied in this paper. PZT-5A piezoelectric ceramic disk was used as piezoelectric phase and brass foil was used as end cap electrode of the Cymbal transducer. The silicon rubber was used as the insulated proof layer of the underwater acoustic transducer. The properties of this transducer used as hydrophone, such as operation frequency, free-field voltage receiving sensitivity and directivity, were investigated. Several kinds of prototype of this transducer were fabricated and the properties of this transducer used as hydrophone were tested. The results show that the properties of this transducer used as hydrophone depend on the dimensions of Cymbal transducer because the piezoelectric properties of this transducer are dependent on the dimensions of Cymbal transducer's end caps. The appropriate dimensions for getting higher free-field voltage receiving sensitivity with -184.7 dB were obtained.     

MEMS压电水听器和矢量水听器研究进展*

基于微电子机械系统制造技术的MEMS压电水听器和矢量水听器具有小型化、低功耗、低成本、易成阵、无源、噪音低等优点。对基于ZnO薄膜的MEMS水听器和矢量水听器进行了研究,测试结果表明,硅微压电水听器的灵敏度为-192 d B(ref.1 V/μPa),基本达到实用化的要求。MEMS压电矢量水听器等效声压灵敏度为-229.5 d B(ref.1 V/μPa),比同类型压阻式MEMS矢量水听器的灵敏度高17 d B,但还未达到实用化要求。为了进一步提高MEMS矢量水听器的灵敏度,设计了具有U形槽的压电复合悬臂梁结构和电极串联结构,采用具有更高压电系数的掺钒ZnO薄膜作为压电层,并对MEMS制备工艺进行了改进,有望显著提高MEMS矢量水听器的灵敏度。     

第三讲让声纳系统耳目一新:新型水声换能器与换能器新技术

文章综述了新型水声换能器设计与换能器新技术的重要进展.主要涉及：稀土超磁致伸缩材料、弛豫铁电材料、压电聚合物薄膜等新材料的发展及其水声换能器的新设计,基于新结构的新型水声换能器,利用不同能量转换机理的新型水声换能器,宽带换能器新技术等等;对于接收型换能器着重介绍了光纤水听器和矢量水听器.     

基于矢量水听器阵列空域预滤波处理的多重信号分类算法研究

矢量水听器能同时拾取声压和振速信息,在相同的信噪比、阵元数及阵列孔径下,矢量阵定向性能优于声压阵列。目前,以多重信号分类算法(Multiple signal classification,MUSIC)为代表的高分辨定向算法已经广泛应用于矢量水听器阵列中。但是随着信噪比降低、信号源方位间隔减小,传统MUSIC算法定向精度及分辨概率显著下降。本文采用最小二乘法设计适用于矢量水听器水平阵列的矩阵空域滤波器,用于阵列数据的空间滤波预处理,可以对阻带扇面噪声进行有效抑制。由滤波后的数据协方差矩阵可以得到新的噪声子空间,在传统MUSIC算法基础上修正通带扇面内阵列流型的畸变后即可得到滤波后MUSIC算法的方位谱。仿真结果表明,当信噪比较低时,改进算法有效提高了通带扇面内目标方位分辨性能。最后本文对四基元矢量水平阵列海试数据进行了处理,改进算法对窄带信号定向较常规算法-3 dB束宽减小了13°,旁瓣级降低约8 dB。对有一定带宽的行船辐射噪声定向处理得到了更加精确的航迹图,海试数据处理结果证明了该算法的可行性和有效性。     

Underwater hybrid near-field acoustical holography based on the measurement of vector hydrophone array

Hybrid near-field acoustical holography(NAH) is developed for reconstructing acoustic radiation from a cylindrical source in a complex underwater environment. In hybrid NAH,we combine statistically optimized near-field acoustical holography(SONAH) and broadband acoustical holography from intensity measurements(BAHIM) to reconstruct the underwater cylindrical source field. First,the BAHIM is utilized to regenerate as much acoustic pressures on the hologram surface as necessary,and then the acoustic pressures are taken as input to the formulation implemented numerically by SONAH. The main advantages of this technology are that the complex pressure on the hologram surface can be reconstructed without reference signal,and the measurement array can be smaller than the source,thus the practicability and efficiency of this technology are greatly enhanced. Numerical examples of a cylindrical source are demonstrated. Test results show that hybrid NAH can yield a more accurate reconstruction than conventional NAH. Then,an experiment has been carried out with a vector hydrophone array. The experimental results show the advantage of hybrid NAH in the reconstruction of an acoustic field and the feasibility of using a vector hydrophone array in an underwater NAH measurement,as well as the identification and localization of noise sources.     

第五讲新型光纤水听器和矢量水听器

光纤水听器和矢量水听器作为当前水声研究领域最具有代表性的两大技术倍受业界关注。光纤水听器的重要贡献在于，从一个全新的角度出发，试图解决传统的水声传感和声纳数据传输一体化设计和实现的一系列问题，这有助于改善声纳系统的可靠性，并且有可能降低其制造、使用和维护的总成本。矢量水听器则由于其特有的指向性和矢量一相位处理方法，在低频和甚低频水声微弱目标探测方面具有潜在的优势．经过不懈的努力，光纤水听器和矢量水听器系统已经从实验室逐渐进入到工程应用阶段．这些对未来声纳系统的发展会产生相当重要的影响．文章尝试从声纳设计的角度对这两者的技术现状进行简要综述，包括它们各自的物理基础、工作原理、关键技术和应用领域．