微型矢量水聽(tīng)器研究.pdf

1、由于安靜型潛艇的出現(xiàn)，反潛問(wèn)題日益受到各主要海軍國(guó)家的重視，傳統(tǒng)的水聲聲納探測(cè)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(cè)方法。目前一般使用的檢測(cè)方法是利用聲壓水聽(tīng)器陣來(lái)探測(cè)潛艇，這時(shí)只能獲得聲場(chǎng)的標(biāo)量參數(shù)，不能充分的獲得聲場(chǎng)的全部信息。矢量水聽(tīng)器的發(fā)展應(yīng)用，大大提高了對(duì)安靜型潛艇目標(biāo)的探測(cè)能力：這首先在于矢量水聽(tīng)器的采用使水聲測(cè)量系統(tǒng)的抗干擾能力和線譜檢測(cè)能力獲得提高[1]；另外，即使采用單個(gè)小尺寸的組

2、合傳感器，也可以通過(guò)聲壓、振速的聯(lián)合信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)方位的估計(jì)[2]；從能量檢測(cè)的角度講，矢量水聽(tīng)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(duì)來(lái)說(shuō)較小的傳感器基陣實(shí)現(xiàn)低頻、遠(yuǎn)距離、多目標(biāo)的識(shí)別等。因此矢量水聽(tīng)器的研究工作受到國(guó)內(nèi)外極大重視。為了解決輻射噪聲越來(lái)越低的安靜型潛艇的探測(cè)問(wèn)題，目前對(duì)矢量水聽(tīng)器來(lái)說(shuō)急需解決的幾個(gè)問(wèn)題是：1，大靈敏度問(wèn)題；2，甚低頻檢測(cè)問(wèn)題；3，矢量水聽(tīng)器的小型化問(wèn)題；4，抗噪聲干擾問(wèn)題等。

3、以上這些問(wèn)題可以利用MEMS技術(shù)平臺(tái)、光檢測(cè)技術(shù)平臺(tái)、集成技術(shù)平臺(tái)等為依托，開(kāi)發(fā)新型傳感器制作技術(shù)，并通過(guò)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(jì)制作小型矢量水聽(tīng)器，期望利用敏感材料的壓阻效應(yīng)，提高矢量水聽(tīng)器的低頻靈敏度，并且實(shí)現(xiàn)傳感器的小型化。 矢量水聽(tīng)器按拾振原理分主要有動(dòng)圈式、聲壓梯度式、同振式等。不同的拾振型式對(duì)應(yīng)的工作原理各不相同，但都有一個(gè)共同特點(diǎn)，即可以檢測(cè)聲場(chǎng)質(zhì)點(diǎn)振速的

4、矢量信息，且對(duì)于聲信號(hào)的檢測(cè)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(tīng)器的工作原理，重點(diǎn)分析壓阻效應(yīng)檢測(cè)原理以及MEMS工藝設(shè)計(jì)原理。 文中首先通過(guò)幾種不同方法分析推導(dǎo)矢量水聽(tīng)器拾振條件，給出設(shè)計(jì)依據(jù)。由于本文涉及采用新的檢測(cè)原理檢測(cè)聲信號(hào)，而檢測(cè)原理的可行性與正確性來(lái)源于對(duì)拾振機(jī)理分析的正確性。因此分別通過(guò)從聲學(xué)理論角度建立矢量水聽(tīng)器的拾振條件、從聲場(chǎng)分析的角度和應(yīng)用振動(dòng)學(xué)理論建立矢量水聽(tīng)器拾振

5、模型，根據(jù)對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)工作機(jī)理的分析，來(lái)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(tīng)器的設(shè)計(jì)方面主要分析介紹了敏感基元設(shè)計(jì)技術(shù)、信號(hào)提取設(shè)計(jì)技術(shù)和片式組合設(shè)計(jì)技術(shù)等部分內(nèi)容。敏感基元的設(shè)計(jì)主要包括以下內(nèi)容：(1)結(jié)構(gòu)靈敏度的設(shè)計(jì)；(2)應(yīng)變計(jì)的設(shè)計(jì)；(3)阻尼設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)靈敏度的設(shè)計(jì)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(hào)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(jì)算方法，并作了簡(jiǎn)單的誤

6、差分析。給出了工藝實(shí)現(xiàn)途徑和集成型矢量水聽(tīng)器的實(shí)現(xiàn)方法。 在針對(duì)如何形成具有一維、二維、三維矢量測(cè)試功能的矢量水聽(tīng)器結(jié)構(gòu)，且在水聽(tīng)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(tīng)器的制作方法。實(shí)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(jì)技術(shù)，即將敏感基元與包括儀表放大電路在內(nèi)的信號(hào)接收電路進(jìn)行多片式組合設(shè)計(jì)，形成檢測(cè)基元，這樣可以使信號(hào)在離檢測(cè)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(shí)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(shí)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(wèn)題。其中重點(diǎn)介紹了壓阻敏感基元的工藝設(shè)計(jì)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(cè)試方法中存在的問(wèn)題，在理論分析基礎(chǔ)上，提出采用振動(dòng)臺(tái)標(biāo)定與水下測(cè)試相結(jié)合的方法，對(duì)矢量水聽(tīng)器的性能進(jìn)行

8、考核。通過(guò)振動(dòng)臺(tái)測(cè)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(tīng)器在國(guó)防水聲一級(jí)計(jì)量站進(jìn)行測(cè)試。在1k～4kHz頻率范圍內(nèi)，接收靈敏度測(cè)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(cè)量采用純音脈沖聲測(cè)量，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)為GB/T3223-94、GB7965-2002。測(cè)試結(jié)果表明：利用壓阻原理設(shè)計(jì)試制的矢量水聽(tīng)器，可以在小型化前提下實(shí)現(xiàn)較高的靈敏度指