微型矢量水聽器研究.pdf

1、由于安靜型潛艇的出現(xiàn)，反潛問題日益受到各主要海軍國家的重視，傳統(tǒng)的水聲聲納探測技術(shù)受到前所未有的挑戰(zhàn)，紛紛探索利用新原理、新技術(shù)、新工藝的新的水下目標(biāo)檢測方法。目前一般使用的檢測方法是利用聲壓水聽器陣來探測潛艇，這時只能獲得聲場的標(biāo)量參數(shù)，不能充分的獲得聲場的全部信息。矢量水聽器的發(fā)展應(yīng)用，大大提高了對安靜型潛艇目標(biāo)的探測能力：這首先在于矢量水聽器的采用使水聲測量系統(tǒng)的抗干擾能力和線譜檢測能力獲得提高[1]；另外，即使采用單個小尺寸的組

2、合傳感器，也可以通過聲壓、振速的聯(lián)合信號處理，實現(xiàn)目標(biāo)方位的估計[2]；從能量檢測的角度講，矢量水聽器的采用，使系統(tǒng)的抗各向同性噪聲的能力獲得極大提高，并可藉助相對來說較小的傳感器基陣實現(xiàn)低頻、遠(yuǎn)距離、多目標(biāo)的識別等。因此矢量水聽器的研究工作受到國內(nèi)外極大重視。為了解決輻射噪聲越來越低的安靜型潛艇的探測問題，目前對矢量水聽器來說急需解決的幾個問題是：1，大靈敏度問題；2，甚低頻檢測問題；3，矢量水聽器的小型化問題；4，抗噪聲干擾問題等。

3、以上這些問題可以利用MEMS技術(shù)平臺、光檢測技術(shù)平臺、集成技術(shù)平臺等為依托，開發(fā)新型傳感器制作技術(shù)，并通過聲納系統(tǒng)數(shù)據(jù)融合技術(shù)途徑得到解決。本文提出采用壓阻原理，利用MEMS制作技術(shù)進(jìn)行設(shè)計制作小型矢量水聽器，期望利用敏感材料的壓阻效應(yīng)，提高矢量水聽器的低頻靈敏度，并且實現(xiàn)傳感器的小型化。 矢量水聽器按拾振原理分主要有動圈式、聲壓梯度式、同振式等。不同的拾振型式對應(yīng)的工作原理各不相同，但都有一個共同特點(diǎn)，即可以檢測聲場質(zhì)點(diǎn)振速的

4、矢量信息，且對于聲信號的檢測具有呈8字形偶極子形式的方向特性。根據(jù)本文工作內(nèi)容，主要介紹同振型矢量水聽器的工作原理，重點(diǎn)分析壓阻效應(yīng)檢測原理以及MEMS工藝設(shè)計原理。 文中首先通過幾種不同方法分析推導(dǎo)矢量水聽器拾振條件，給出設(shè)計依據(jù)。由于本文涉及采用新的檢測原理檢測聲信號，而檢測原理的可行性與正確性來源于對拾振機(jī)理分析的正確性。因此分別通過從聲學(xué)理論角度建立矢量水聽器的拾振條件、從聲場分析的角度和應(yīng)用振動學(xué)理論建立矢量水聽器拾振

5、模型，根據(jù)對設(shè)計系統(tǒng)工作機(jī)理的分析，來充分論證應(yīng)用敏感材料壓阻效應(yīng)的可行性。 在壓阻式矢量水聽器的設(shè)計方面主要分析介紹了敏感基元設(shè)計技術(shù)、信號提取設(shè)計技術(shù)和片式組合設(shè)計技術(shù)等部分內(nèi)容。敏感基元的設(shè)計主要包括以下內(nèi)容：(1)結(jié)構(gòu)靈敏度的設(shè)計；(2)應(yīng)變計的設(shè)計；(3)阻尼設(shè)計，結(jié)構(gòu)靈敏度的設(shè)計中主要給出了輸出靈敏度表達(dá)式、固有頻率表達(dá)式及參數(shù)優(yōu)化匹配內(nèi)容等。信號提取部分主要介紹了電路的構(gòu)成及輸出靈敏度的分析計算方法，并作了簡單的誤

6、差分析。給出了工藝實現(xiàn)途徑和集成型矢量水聽器的實現(xiàn)方法。 在針對如何形成具有一維、二維、三維矢量測試功能的矢量水聽器結(jié)構(gòu)，且在水聽器小型化及有效克服噪聲影響的前提條件下，如何能獲得較大的接收靈敏度的情況，討論了壓阻式矢量水聽器的制作方法。實際工作中系采用壓阻原理制作敏感基元，然后采用多片式組合設(shè)計技術(shù)，即將敏感基元與包括儀表放大電路在內(nèi)的信號接收電路進(jìn)行多片式組合設(shè)計，形成檢測基元，這樣可以使信號在離檢測源最近處得到放大，形成高

7、靈敏度組件，在一定程度上克服噪聲影響。工藝實現(xiàn)方法上可采用半導(dǎo)體集成工藝、厚膜集成電路或薄膜集成電路工藝以及印刷電路板工藝實現(xiàn)，最后進(jìn)行整體的聲學(xué)灌封，選取了高頻低衰減低滲水聚氨酯灌封材料，可以很好的解決耐水、耐壓等問題。其中重點(diǎn)介紹了壓阻敏感基元的工藝設(shè)計技術(shù)。 最后，根據(jù)所研制壓阻式聲矢量傳感器工作頻率范圍要求以及低頻水聲測試方法中存在的問題，在理論分析基礎(chǔ)上，提出采用振動臺標(biāo)定與水下測試相結(jié)合的方法，對矢量水聽器的性能進(jìn)行

8、考核。通過振動臺測試可以看到敏感元件在幾赫茲一直到4K赫茲頻率范圍內(nèi)具有平直的頻率響應(yīng)曲線。根據(jù)上述原理制作的矢量水聽器在國防水聲一級計量站進(jìn)行測試。在1k～4kHz頻率范圍內(nèi)，接收靈敏度測量采用脈沖比較法，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T3223-94、GB7965-2002。指向性圖測量采用純音脈沖聲測量，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T3223-94、GB7965-2002。測試結(jié)果表明：利用壓阻原理設(shè)計試制的矢量水聽器，可以在小型化前提下實現(xiàn)較高的靈敏度指