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。     

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。      

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。     

基于流固耦合作用的分布反馈式光纤激光水听器

为了解决流固耦合模态使水听器工作频带变窄的问题,理论分析了流体对双膜片结构的分布反馈式光纤激光水听器固有频率的影响,基于有限元软件对水听器加固封装前后在空气中和流体中的模态和频响性能进行仿真分析,加工制作了水听器原型样品并开展了水声实验研究.实验结果表明,在2 500~8 000Hz的频率范围内,未经加固封装的水听器由于在该频段内存在多个流固耦合固有频率造成响应曲线起伏较大,而采取了加固措施封装后的水听器获得了-142.77±0.8dB的平均声压灵敏度,验证了流体对水听器频响性能的影响以及改善措施的有效性,实验结果与理论及仿真结果吻合较好.     

数值计算法实现同振式矢量水听器驻波管中灵敏度修正EI北大核心CSCD

大尺寸的矢量水听器在驻波管中进行灵敏度校准时会引起校准声场分布不均匀,使得灵敏度校准结果出现较大误差。在无法获取校准声场准确的解析表达式情况下,以实际驻波管校准装置为原型,建立声场仿真分析模型,通过数值计算得到矢量水听器和参考标量水听器的声压和加速度量值,并结合灵敏度校准公式和参考值导出灵敏度修正因子。利用修正因子,对不同尺寸矢量水听器灵敏度测试结果修正以后,与参考值最大绝对误差减小到2.0 dB下。结果表明数值计算法能有效减小非均匀声场引起的大尺寸矢量水听器灵敏度校准误差,扩展了矢量水听器驻波管校准装置的测试对象。     

用于矢量水听器的低频高灵敏度层合梁加速度传感器

压电加速度传感器是同振型矢量水听器的核心部件。为了满足低频高灵敏度矢量水听器的应用需求,提出并研究一种具有层合梁结构的低频高灵敏度加速度传感器。结合弹性力学和压电方程推导层合梁加速度传感器的加速度灵敏度解析解表达式,通过有限元仿真对层合梁加速度传感器尺寸进行优化,给出优化后的尺寸范围。从优化的尺寸范围中选取两种不同尺寸进行加速度传感器振动特性的仿真分析及实物制作(其中压电材料为PZT-5)与性能测试。仿真与测试结果均表明,相比已有的同尺寸金属梁加速度传感器,层合梁加速度传感器可以有效降低谐振频率并提升加速度灵敏度。当压电层厚度为0.5 mm时,加速度灵敏度最大提升3.9 dB,谐振频率下降23%。测试结果与理论分析相符。      

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。     

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5.9 dB,并且具有良好的指向性。     

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。     

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。     

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。      

水下圆柱形Helmholtz共振器的声学特性分析

理论分析了水下圆柱形Helmholtz共振器的声学特性. 综合考虑壁面弹性和辐射阻抗的影响,基于电-声类比的基本原理,建立了较为完善的水下圆柱形Helmholtz共振器的低频集中参量模型. 利用电路分析的基本方法,得到了系统的输入阻抗和声压传递函数表达式. 仿真分析了主要结构参数对共振器声学特性的影响,得出了一些有意义的结论. 在充水驻波罐中对自制的Helmholtz共振器进行了测量,并对实验结果进行了详细地误差分析. 去除压电水听器对测量结果的影响后,实验与仿真结果基本一致,从而验证了理论分析的正确性. 关键词： Helmholtz共振器 共振频率 传递函数 辐射阻抗     

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.     

新型光纤光栅水声传感器的研究

提出了一种新型的光纤布拉格光栅(FBG)水声传感探头结构以及光纤光栅传感信号的自解调方法。利用一对匹配光栅构成推挽结构,实现了传感-解调的合二为一,大大地减小了系统的复杂度;并通过筒状弹性体结构,解决了裸光纤光栅测量水声信号的灵敏度过小的问题,并具有温度补偿作用。仿真与初步实验结果表明,该水听器探头的测量动态范围超过100 dB,在100~200 dB re 1μPa的水声压范围内,测量灵敏度为0.36 nm/Mpa。