分布反馈光纤激光器水听器设计与实验

为验证分布反馈光纤激光器水听器具有抗干扰强、动态范围大、灵敏度高等独特优点,进行了该水听器的系统设计,并给出分布反馈光纤激光器的输出特性曲线.采用非平衡M-Z光纤干涉仪进行分布反馈光纤激光器水听器的解调,结合工作点扫描和控制的测量方法,利用压电陶瓷相位调制器来进行相位补偿,使系统稳定工作在最灵敏处.采用制作的光纤干涉仪,搭建室内水听器模拟对比实验,通过扬声器产生1.34 KHz和7.24 KHz的高频周期激励信号,以及对水听器进行敲击激励,分析水听器的响应.进行了激光器水听器和压电水听器低频频响特性对比测试,实验得出光纤激光器水听器的光电探测输出信号的信噪比高,可以准确、可靠地反映原始声信号.     

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。     

开缝压电圆环深海水听器

利用能量法得到了开缝压电圆环水中的谐振频率方程与电导纳曲线;通过构建开缝压电圆环低频接收状态等效电路图,推导了开缝压电圆环低频开路电压灵敏度;比较开缝压电圆环和整体圆环低频接收灵敏度,提出了利用开缝压电陶瓷圆环与溢流结构相结合设计深海水听器的思路;通过建立溢流式开缝压电圆环有限元仿真模型,探讨了开缝压电圆环的低频开路电压灵敏度与圆环结构参数的关系。经过仿真优化,研制了水中谐振频率600 Hz的开缝压电圆环深海水听器。水池声学测试与耐压测试结果表明,溢流式开缝压电圆环水听器在100~300 Hz频段内低频开路电压灵敏度最大值为-193.2 dB,最小值-197.9 dB,起伏-4.7 dB,耐静水压30 MPa;与采用相同尺寸压电元件的溢流圆环水听器相比,溢流式开缝压电圆环水听器的低频开路电压灵敏度提高20 dB;验证了本文提出的采用开缝压电圆环构建深海水听器的实用性。      

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。     

压电陶瓷水听器加速度响应的有限元分析

本文用有限元法分析了压电陶瓷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。     

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。     

聚(偏二氟乙烯-三氟乙烯)压电圆管水听器

提出了高灵敏度压电共聚物圆管水听器设计方法,论述了聚(偏二氟乙烯-三氟乙烯)[P (VDF-TrFE)]材料结构与压电特性的关系,利用解析法和有限元法,分析了多振动模式耦合特性对压电共聚物圆管水听器灵敏度响应的影响规律,仿真分析了圆管水听器的耐静水压特性和噪声特性,与相同结构的压电陶瓷和压电均聚物水听器相比,压电共聚物圆管水听器低频段灵敏度分别可提高20 dB和5 dB以上,研制了尺寸为Φ14 mm × 55 mm的压电共聚物圆管水听器样品,经测试,在10 Hz~1 kHz频段内水听器灵敏度响应达到-181.8 dB±1 dB,等效自噪声压低于零级海况海洋环境噪声,与理论模型结果有良好的一致性。结果表明,该设计显著提升了圆管水听器的低频接收灵敏度,并为其耐静水压性能提升提供了思路。      

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。      

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.     

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。      

同振球型声压梯度水听器的研究

介绍一种采用压电加速度计作敏感元件的球形声压梯度水听器。从理论上分析了球体直径及重量对水听器灵敏度频率响应和指向性的影响；描述了该水听器的设计细节；给出作者所研制水听器的性能测试结果。     

压电复合材料及其在换能器中的应用

本文评述了压电复合材料的性能、特点和研究概况,对这种新型压电材料在水听器及其他换能器方面的应用作了较多介绍。     

对基于光纤光栅的两种水听器灵敏度的讨论

本文简单介绍了基于光纤光栅的光纤布喇格光栅(FBG)水听器以及分布反馈式(DFB)光纤激光水听器的基本工作原理与信号解调的基本方法。在此基础上提出了FBG水听器和DFB光纤激光水听器波长漂移率、压力灵敏度系数、相位灵敏度与相位灵敏度级以及电压灵敏度的定义以及物理涵义.并且对干涉型光纤水听器与DFB光纤激光水听器在相位灵敏度以及物理涵义上的区别进行了说明.     

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。     

湿端结构极简的低噪声低串扰光纤光栅水听器阵列

由于湿端极简化,光纤光栅水听器系统中普遍存在的偏振诱导信号衰落和随机相位衰落等关键问题仅能采用复合型调制解调手段解决;光纤光栅的双向反射特性会引起传感通道间信号串扰增加等新问题。报道了一种光纤光栅水听器阵列,水下仅采用80个光纤光栅构成64基元水听器阵列。采用相位生成载波与偏振切换调制解调方案,系统本底相位噪声达到■,等效噪声压为36 dB@1 kHz。系统采用低反射率光纤光栅,结合8空分×2波分×8时分复用结构设计,系统的时分、空分和波分通道串扰均稳定在-40 dB以下。该研究为光纤光栅水听器的工程实用化提供了重要的实践探索。     

F-P型光纤水听器温度特性研究

温度漂移对水听器系统输出的影响是其实用化进程中的关键技术障碍。这主要表现在温度变化引起水听器探头背衬材料的胀缩和光纤折射率的变化。首先从弹性力学轴对称问题的准静态理论出发分析了背衬材料的应力特性,并用光弹理论及热应力理论分析了温度改变对光纤相位常数的影响,得出了温度影响干涉式光纤水听器光学相位输出的数学表达式。给出了温度变化对水听器光学相位输出影响的实验测量结果,得出了光学相位随温度变化的线性关系图,与理论计算结果吻合。     

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。     

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。     

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。)     

声学国家标准介绍(Ⅲ)

14.GB 4128-84标准水听器 本标准规定了用于1Hz—100kHz 频率范围内的压电型标准水听器的主要性能参数和技术要求. 标准水听器根据使用目的和校准准确度分为:一级标准水听器(简称标准水听器,用作实验室标准及用一级标准方法校准)和二级标准水听器(简称测量水听器,用作实验室或工厂的一般测试标准及用二级标准方法校准).其主要性能参数见表1.