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。     

新型MEMS压电矢量水听器

对一种具有U形槽或双U形槽结构的MEMS压电式矢量水听器进行了仿真分析与优化,采用微机械加工技术研制出水听器芯片,并对芯片进行了封装与性能测试。提出了理论灵敏度和能量综合分析的方法,在考虑杂散电容的情况下,对敏感结构进行了更加精确的优化。从实验结果可以看出,所提出的优化方法比仅考虑理论灵敏度的传统优化方法具有更高的准确度。此外,具有双U形槽结构的矢量水听器的灵敏度比传统的单臂悬臂梁结构的灵敏度高约5.9dB,并且具有良好的指向性。     

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。     

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。     

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。     

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。     

MEMS矢量水听器用于潜标系统的可行性（英）

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20~1000 Hz范围内的声场矢量信号,水听器此时的灵敏度可达-176 dB,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。     

MEMS矢量水听器灵敏度自动测试系统设计

针对微机电系统(MEMS)矢量水听器声压灵敏度测试中出现的测试步骤单一、测试任务繁重且耗时多,同时手动测量存在不确定的操作误差等问题,在分析矢量水听器灵敏度测试原理和测试过程的基础上,采用AD9850,AD8599,PGA205、单片机MK60DN512ZVLQ110等芯片,设计了集成信号激励源、微弱信号检测、调理以及信号采样和传输等模块的矢量水听器灵敏度自动测试装置。该装置将测试现场的仪器缩小,多模块功能集成,通过与PC上位机连接控制,快速、实时地完成矢量水听器灵敏度测试标定,在节约测试时间的同时,也能快速地完成对水听器的优化改进的验证;此装置体积小、轻便,测试连线简单,方便外场测试,促进MEMS水听器工程化应用。     

MEMS矢量水听器灵敏度自动测试系统设计

针对微机电系统(MEMS)矢量水听器声压灵敏度测试中出现的测试步骤单一、测试任务繁重且耗时多,同时手动测量存在不确定的操作误差等问题,在分析矢量水听器灵敏度测试原理和测试过程的基础上,采用AD9850,AD8599,PGA205、单片机MK60DN512ZVLQ110等芯片,设计了集成信号激励源、微弱信号检测、调理以及信号采样和传输等模块的矢量水听器灵敏度自动测试装置。该装置将测试现场的仪器缩小,多模块功能集成,通过与PC上位机连接控制,快速、实时地完成矢量水听器灵敏度测试标定,在节约测试时间的同时,也能快速地完成对水听器的优化改进的验证;此装置体积小、轻便,测试连线简单,方便外场测试,促进MEMS水听器工程化应用。     

低频高灵敏度中性浮力式MEMS矢量水听器

由中北大学研制的微机电系统(MEMS)矢量水听器具有小型化、低频性能好、灵敏度高、指向性好、价格低等特点,但目前该水听器对该低频水声信号的低频探测能力不够,所以进一步提高其灵敏度对水听器的未来的发展至关重要。在声学研究的基础上,提出了中性浮力微结构并确定其参数,该结构加大了外力的有效作用面积,从而提高水听器的灵敏度,采用ANSYS有限元对水听器性能进行仿真,为了验证其可靠性,在驻波场测试水听器的性能。结果表明,该水听器的灵敏度-175dB,频响范围为20~500 Hz,满足对远距离船舶辐射噪声的探测要求,灵敏度响应曲线的起伏在±1.5dB以内,具有良好的"8"字型指向性,凹点深度为48.8dB。     

低频高灵敏度中性浮力式MEMS矢量水听器

由中北大学研制的微机电系统(MEMS)矢量水听器具有小型化、低频性能好、灵敏度高、指向性好、价格低等特点,但目前该水听器对该低频水声信号的低频探测能力不够,所以进一步提高其灵敏度对水听器的未来的发展至关重要。在声学研究的基础上,提出了中性浮力微结构并确定其参数,该结构加大了外力的有效作用面积,从而提高水听器的灵敏度,采用ANSYS有限元对水听器性能进行仿真,为了验证其可靠性,在驻波场测试水听器的性能。结果表明,该水听器的灵敏度-175 dB,频响范围为20~500 Hz,满足对远距离船舶辐射噪声的探测要求,灵敏度响应曲线的起伏在1.5 dB以内,具有良好的8字型指向性,凹点深度为48.8 dB。     

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－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.     

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．     

光纤水听器的原理与应用

为适应水声学应用特别是水下反潜战的需要，在光纤技术不断发展的基础上，光纤水听器应运而生．光纤水听器是一种基于光纤、光电子技术上的新型水下声传感器，因其在军事、民用各领域应用广泛，目前光纤水听器在国内外发展迅速，已经到达实用状态．全光光纤水听器系统的湿端采用全光实现，信号传感与传输皆基于光纤技术．具有抗电磁干扰、重量轻和造价低等优点．文章简述了光纤水听器的发展历史、现状，论述了光纤水听器的原理及其应用前景．     

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。     

基于频带分解和距离加权的单矢量水听器浅海被动测距方法研究

本文针对浅海环境下中低频宽带脉冲声源被动测距问题, 提出了一种声压和水平振速联合处理的被动测距方法. 在浅海波导中, 声压和质点振速的自相关函数卷绕(warping)谱具有稳定的频率特征. 声压和水平振速的自相关卷绕谱具有相同的准线谱特征, 垂直振速自相关卷绕谱具有宽谱叠加线谱的特征, 与声压自相关卷绕谱相比, 其尖峰个数比更多, 且尖峰宽度更宽. 利用引导源, 本文提出了基于频带分解和距离加权的声压和水平振速联合被动测距方法. 利用该方法对2008年冬季青岛海域综合实验中单矢量水听器接收的气枪信号进行处理, 结果表明, 该方法能够实现气枪声源的有效测距. 与传统单声压水听器被动测距方法相比, 该方法可以有效减小代价函数的主瓣宽度、提高测距精度.     

压阻式新型矢量水听器设计

本文介绍了矢量水听器的应用，分析了压阻式矢量水听器的基本工作原理。提出了采用压阻原理进行矢量水听器设计的方案思想，并从结构灵敏度、输出特性、谐振频率几方面进行了设计分析，展望了将MEMS技术应用于矢量水听器的远景优势。     

中频小型矢量水听器设计研究

中频小型同振式矢量水听器采用低密度复合材料作为矢量通道外壳、压电加速度计作为内部振动传感器，以拾取水下声场中的矢量信息。与以往同振式矢量水听器设计不同的是每个矢量通道中只放置一只压电加速度计，这样，不仅减小了矢量水听器的体积，降低了水听器的整体平均密度，而且消除了以往同振式矢量水听器设计中矢量通道采用两只配对传感器而引起的相位不一致给矢量水听器定向带来的影响。而声压通道采用PVDF压电薄膜作为敏感元件，以拾取水下声场中的标量信息。     

矢量水听器阵列MVDR波束形成器的性能研究

针对矢量水听器阵列的最佳阵处理，研究了高斯背景噪声条件下MVDR波束器的输出性能，给出了系统输出信干噪比与各影响参数之间的解析关系式，并对三种典型情况进行了具体探讨，着重分析了信噪比、干扰强度、相关系数和样本长度对系统输出SINR的影响，证明了低信噪比时MVDR波束形成器为最佳空域滤波器，分析还表明，MVDR波束形成器对强信号存在抑制现象，高信噪比时输出的SINR为一常数。计算机仿真结果证明了理论分析的正确性。