抑制面内振动干扰的仿生MEMS三维矢量水听器研究

发布时间：2020-07-04 06:52

【摘要】：由于敌海上力量的阻止,传统的侦测船、反潜飞机和潜艇等平台在对敌方潜艇进行侦测与定位时具有一定的局限性。无人水下航行器(UUV)具有成本低、体积小和作战灵活、活动范围广的特点,可以补充传统侦测平台的不足之处,成为各国海军研究的热点。声波仍是目前可以在水下进行远距离传输的形式,水听器可以将声波信号转换为电信号,水听器是进行水下探测的关键部件。矢量水听器与标量水听器相比可以测量声场中的矢量信息,抑制环境中的各向同性噪声而成为未来的发展方向。声波的频率越高在在水中的衰减速率越快,随着对潜艇探测距离要求越来越远,水听器的工作频率也越来越低。UUV等小型搭载平台在工作时不可避免地会受到海浪、洋流等外部冲击的影响,水听器可以抑制振动干扰是其实际应用的基础。要实现对潜艇的准确定位,水听器应可以测量三维空间的声波信号,再考虑到UUV的搭载能力有限,水听器应当是一种单片集成三维MEMS水听器。中北大学基于仿生原理提出的压阻式仿生MEMS矢量水听器,具有体积小、成本低和低频响应特性好的特点,在声纳系统中具有较好的应用前景。但是当前的仿生MEMS矢量水听器不能同时实现三维空间声波测量和抑制振动干扰。针对此问题本文设计了单片集成的、可以抑制面内振动干扰的仿生MEMS三维矢量水听器。(1)提出了一种可以抑制振动干扰的仿生MEMS三维矢量水听器。水听器是一种“纤毛-支撑块-八梁”结构,纤毛可敏感X方向和Y方向的声波信号,支撑块可以敏感Z方向的声波信号。通过封装,X/Y方向的声波信号可以作用到纤毛上而不能作用到支撑块到上。然而,水听器受到的X/Y方向振动干扰可以同时作用到纤毛和支撑块上,纤毛和支撑块对梁的弯矩可以相互抵消,从而减小了梁表面压敏电阻所受到的应力,有效地降低了水听器受到振动干扰输出的信号。(2)建立了抑制面内振动干扰的仿生MEMS三维矢量水听器数学模型。建立了水听器受到X/Y方向和Z方向声波信号、振动信号时梁纵向应力的数学模型。建立了求解水听器前三阶固有频率的数学模型。(3)抑制面内振动干扰的仿生MEMS三维矢量水听器的有限元仿真。仿真分析了梁的长度、宽度、厚度,纤毛的半径和高度、支撑块的长度和厚度对水听器性能的影响。综合考虑不同结构参数对水听器性能的影响,设计了水听器的具体结构尺寸。对所设计的水听器和传统的水听器进行了静态、模态、谐响应和瞬态响应仿真,验证了数学理论模型的准确性。(4)抑制面内振动噪声的仿生MEMS三维矢量水听器的加工。仿真分析了不同工艺参数对加工结果的影响;制定了水听器芯片的加工流程和工艺参数并完成了纤毛与芯片的集成。(5)抑制面内振动噪声的仿生MEMS三维矢量水听器测试。驻波桶测试结果表明,X、Y和Z三个通道的声学灵敏度400Hz时分别为-182dB、-187dB和-160dB(0dB=1V/μPa),凹点深度分别为34dB、35dB和33dB。振动台测试结果表明本文设计的水听器相对于传统结构的水听器振动噪声灵敏度在100Hz降低了约92%。水听器同时受到声波信号和振动干扰时的实验结果表明,本文设计的水听器可以有效地抑制面内振动干扰的影响。
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB565.1
【图文】：

中北大学学位论文会议，会议的主要内容刊登在《声质点振速传[19]。一种声压梯度水听器，其灵敏度为-240dB (0 测量[20]。1998 年，G.C.等人研制的复合式三维瓷球内部装有正交放置的压电式加速度计，压陶瓷球壳用来测量声压信息，加速度计用来测

图 1.1 G.C.等人研制的水听器da 等人研制出了一种型号为 SV-1 的水声传感器质点振速的同振型声压梯度水声传感器，工作 年，该研究团队完成了对水声传感器的改进，得频率的下限降到了 15Hz[23]。这两种型号的水声传，其灵敏度不高。

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本文编号：2740794