PVDF水听器加速度响应特性的有限元分析

本文用有限元法分析了压电高聚物PVDF圆柱形水听器的材料参数与几何尺寸对其加速度响应的影响。针对理论分析，进行了水听器加速度响应实验，实验结果与理论分析基本相符。     

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.     

带加速度补偿平面型光纤光栅水听器探头技术的研究

针对平面型光纤Bragg光栅(Fiber Bragg Grating,缩写为FBG)水听器探头加速度响应明显,影响它对正常声压进行探测的需求,提出了采用加速度补偿措施进行加速度去敏这一有效方法。从理论和实验上分析研究了带加速度补偿平面型光纤FBG水听器探头的结构灵敏度、灵敏度频率响应特性和加速度响应特性。结果表明:采用加速度补偿措施后,单位加速度(1m·s-2)响应输出的等效作用声压由2.52~3.26 Pa降为0.0758~0.217 Pa。同时,探头结构灵敏度由28 fm/Pa减小为20 fm/Pa,动态谐振频率由6.2 kHz增高为6.52 kHz。谐振频率的增加有助于提高水听器系统的动态响应特性,而结构灵敏度的降低,可以通过提高FBG动态波长解调仪的灵敏度来进行补偿。本来,光纤光栅或光纤光栅激光水听器系统可探测灵敏度主要由解调仪灵敏度决定,而不是由探头结构灵敏度决定。所以,该加速度补偿措施具有很大的实用性。      

空气背衬芯轴型光纤水听器加速度性能研究

对用于水声探测的光纤水听器,加速度相移灵敏度是一个重要的参数。本文采用有限元法对空气背衬芯轴型光纤水听器的加速度相移灵敏度进行了理论分析,并通过实验验证,得到了空气背衬芯轴型光纤水听器加速度相移灵敏度的优化规律,提高芯轴壳体的硬度可有效降低光纤水听器的加速度相移灵敏度,而改变芯轴壳体的厚度对水听器加速度灵敏度影响不大。     

灌注成型PVDF薄膜水听器

介绍一种灌注成型复合圆管PVDF压电薄膜水听器.理论上计算了复合圆管的各层参数对水听器低频灵敏度的影响.说明了如何针对水听器的要求选择各层材料的参数.采用的灌注成型工艺和复合膜卷绕技术,可使水听器的性能得到改善,并简化了工艺,利于水听器的批量生产.研制的水听器样品的测试数据表明,这种水听器灵敏度高,随静水压的灵敏度起伏小,加速度响应很低,一致性好.水听器低频灵敏度的理论计算值与实际测量值符合较好.     

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.     

一种平面型光纤光栅水听器探头技术的研究

阐述了一种平面薄板结构的平面型光纤Bragg光栅(Fiber Bragg Grating,缩写为FBG)水听器探头的工作原理,从理论和实验上分析研究了该探头的结构灵敏度、频率响应特性以及加速度响应特性。平面圆形薄板采用不锈钢,尺寸为:直径15 mm、厚度0．15 mm,探头为圆柱型,尺寸为:直径17 mm、长20 mm。对于该尺寸结构的FBG水听器,探头静态灵敏度可达23 fm/Pa,比裸光栅增敏7300倍;谐振频率为6．5 kHz,而且幅频特性在100 Hz～5．5 kHz频率范围内较为平坦;低频段加速度响应灵敏度为:58～75(fm·s~2/m),在1 m/s~2加速度作用下其输出等效(2．52～3．26 Pa)压力作用下的输出。该结构的探头也便于多路复用组成水听器阵列。该平面结构不仅可以组成光纤FBG水听器探头,同样可以组成光纤光栅激光水听器探头。对薄板的几何尺寸进行适当的调整,可实现不同量程、不同带宽的水声压力测量。     

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。     

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。     

水听器的加速度特性

本文主要从实验方面对水听器的加速度特性进行了一些研究,在63Hz到4000Hz频率范围内,测试了几种常规水听器的加速度灵敏度和频响.这些水听器的加速度灵敏度从每个区几毫伏到几百毫伏各不相同,并具有明显的方向性.探讨了电缆的类型、固定方式对加速度特性的影响,以及隔振器的使用等方面的问题.     

同振球型矢量水听器声波接收理论研究

对同振球型矢量水听器声压和质点振速的声波接收理论进行了研究。以同振球型振速水听器测量原理为基础,推导了自由运动刚性球体和弹性球体的声波接收响应数学表达式,分析了振速水听器几何尺寸、平均密度与其频响特性曲线之间的关系;另外,根据球面接收器的声波接收理论,推导了矢量水听器声压接收响应数学表达式,通过理论分析和数值计算,研究了振速水听器表面上的声压分布规律以及声压水听器的声波接收压力系数与其接收面的大小、质点振速水听器的半径、布放的位置和半径等参数之间的关系;从理论上建立了矢量水听器声波接收理论模型和分析方法,为矢量水听器的设计和研制提供了理论依据。      

Study of the planar optical fiber Bragg grating hydrophone probe with acceleration compensation

Since the probe acceleration response of a planar optical FBG hydrophone is very obvious and has an adverse influence on normal underwater acoustic pressure detection,an acceleration desensitization method employing an acceleration compensation measure is presented here.Results indicate that by utilizing this method,the equivalent pressure output applied by one unit of acceleration(1m·s^-2) is reduced from a range of 2.52-3.26 Pa to 0.0758-0.217 Pa, while the structural sensitivity decreases from 28 fm/Pa to 20 fm/Pa,however,the resonance frequency increases slightly from 6.2 kHz to 6.5 kHz.The increased resonance frequency helps to improve the dynamic frequency characteristics,and while the structural sensitivity is reduced, it can be compensated for by improving the optical FBG dynamic wavelength interrogation sensitivity.The system sensitivity of the optical FBG hydrophone is mainly determined by its wavelength interrogation sensitivity and not the probe structure sensitivity.Therefore,the acceleration compensation method would have broad practical applications.     

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。      

Research of the planar optical fiber Bragg grating hydrophone probe

This paper presents the planar Fiber Bragg Grating （FBG） hydrophone probe sensing principle, and theoretically and experimentally researches the probe structure sensitivity, the receiving sensitivity frequency response characteristic and the acceleration response property. Planar sheet is made of stainless steel, its thickness is 0.15 mm, its diameter is 15mm, and the length of hollow circular shell is 20 mm. For this size of the structure, the probe structure sensitivity is up to 23 fm/Pa, which is about 7300 times of the value of the bare fiber. The resonance frequency is 6.5 kHz, and the amplitude-frequency curve of the receiving sensitivity response is relatively flat within the frequency range of 100 Hz to 5.5 kHz. The output yielded by one unit acceleration （1m/s2） is equivalent to （2.52 to 3.26 Pa） acoustic pressure acting output. This probe structure is easy to form FBG hydrophone array by multiplexing technique. The research shows that this planar structure not only can form FBG hydrophone probe, but also can constitute optical FBG laser hydrophone probe. The structure can realize different bandwidth, different range acoustic pressure measurement by adjusting the geometrical size of the sheet.     

芯轴型光纤水听器声压相移灵敏度响应分析

提出了一种带空气腔芯轴型光纤水听器的结构模型,并对其声压相移灵敏度的响应特性进行了研究.通过对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;建立了动力学等效模型,得出带空气腔芯轴型光纤水听器声压相移灵敏度表达式以及频率特性的理论模型;利用有限元方法,得到芯轴型光纤水听器的响应模型.根据提出的结构和确定的参量制作出相应的探头,经过试验测试,其3 dB带宽约为30 kHz,测试结果验证了提出的理论模型与有限元模型的正确性.