（水声工程专业论文）微型矢量水听器研究.pdf

哈尔滨工程大学博士学位论文 据。由于本文涉及采用新的检测原理检测声信号，而检测原理的可行性与正 确性来源于对拾振机理分析的正确性。因此分别通过从声学理论角度建立矢 量水听器的拾振条件、从声场分析的角度和应用振动学理论建立矢量水听器 拾振模型，根据对设计系统工作机理的分析，来充分论证应用敏感材料压阻 效应的可行性。 在压阻式矢量水听器的设计方面主要分析介绍了敏感基元设计技术、信 号提取设计技术和片式组合设计技术等部分内容。敏感基元的设计主要包括 以下内容： ( 1 ) 结构灵敏度的设计；( 2 ) 应变计的设计；( 3 ) 阻尼设计， 结构灵敏度的设计中主要给出了输出灵敏度表达式、国有频率表达式及参数 优化匹配内容等。信号提取部分主要介绍了电路的构成及输出灵敏度的分析 计算方法，并作了简单的误差分析。给出了工艺实现途径和集成型矢量水听 器的实现方法。 在针对如何形成具有一维、二维、三维矢量测试功能的矢量水听器结构， 且在水昕器小型化及有效克服噪声影响的前提条件下，如何能获得较大的接 收灵敏度的情况，讨论了压阻式矢量水听器的制作方法。实际工作中系采用 压阻原理制作敏感基元，然后采用多片式组合设计技术，即将敏感基元与包 括仪表放大电路在内的信号接收电路进行多片式组合设计，形成检测基元， 这样可以使信号在离检测源最近处得到放大，形成高灵敏度组件，在一定程 度上克服噪声影响。工艺实现方法上可采用半导体集成工艺、厚膜集成电路 或薄膜集成电路工艺以及印刷电路板工艺实现，最后进行整体的声学灌封， 选取了高频低衰减低渗水聚氨酯灌封材料，可以很好的解决耐水、耐压等 问题。其中重点介绍了压阻敏感基元的工艺设计技术。 最后，根据所研制压阻式声矢量传感器工作频率范围要求以及低频水声 测试方法中存在的问题，在理论分析基础上，提出采用振动台标定与水下测 试相结合的方法，对矢量水听器的性能进行考核。通过振动台测试可以看到 敏感元件在几赫兹一直到4 k 赫兹频率范围内具有平直的频率响应曲线。根据 上述原理制作的矢量水听器在国防水声一级计量站进行测试。在l k 4 k h z i i 微型矢量水听器研究 频率范围内，接收灵敏度测量采用脉冲比较法，执行标准为g b t 3 2 2 3 9 4 、 g b 7 9 6 5 2 0 0 2 。指向性图测量采用纯音脉冲声测量，执行标准为g b t 3 2 2 3 9 4 、 g b 7 9 6 5 2 0 0 2 。测试结果表明：利用压阻原理设计试制的矢量水听器，可以在 小型化前提下实现较高的灵敏度指标，并且有比较满意的指向性图，可以在 今后应用于低频水声测量。 关键词：压阻效应；m e m s 技术；矢量水听器；同振式。 i l i 微型矢量水听器研究 a b s t r a c t s i n c et h e1 e v e lo f r a d i a t e dn o i s eo f s u b m a r i n e sb e c o m el o w e ra n dl o w e re a c h y e a r ，t r a d i t i o n a lm e t h o d sf o rs u b m a r i n ed e t e c t i o nh a dl o s tt h e i re f f i c i e n c y ，a l l c o u n t r i e sw i t hn o t i c e a b l en a v yf o r c eh a sd r a w nu n p r e c e d e n t e da t t e n t i o no n d e v e l o p m e n to fh i g h l y s e n s i t i v et e c h n o l o g ya n dn e wm e t h o df o rs u b m a r i n e d e t e c t i o n ，b a s i n g o nn e wp r i n c i p l e ，n e wt e c h n o l o g ya n dn e wt e c h n i q u e s t r a d i t i o n a lt e c h n i q u eu s e di ns o n a rd e s i g nh a de m p l o y e da r r a yc o m p o s e db y s c a l a rh y d r o p h o n e s ，w h i c hc a no n l yg i v et h es o u n dp r e s s u r ea tr e c e i v i n gp o s i t i o n ， a n dc o u l dn o tt h o r o u g h l yg e ta l li n f o r m a t i o n sa b o u ts o u n df i e l d t h ea p p l i c a t i o n o fv e c t o rh y d r o p h o n ee n d o w ss e v e r a la d v a n t a g e sf o rd e t e c t i o no fs u b m a r i n e s t h r o u g ha r r a yt e c h n o l o g y ：i tc a no b t a i nb o t ht h es o u n dp r e s s u r ea n dp a r t i c l e v e l o c i t yo fs o u n df i e l ds i m u l t a n e o u s l y ，a n de f f e c t i v e l yr e d u c er e c e i v e di n t e n s i t y o fi s o t r o p i ch i n d r a n c e ，a n da r r a yc o m p o s e db yv e c t o rh y d r o p h o n e sc a nw o r ka t l o wf r e q u e n c yw i t hr e l a t i v e l ys m a l ld i m e n s i o nt od i s t i n g u i s ht h ei n t e n s i t i e sa n d d o a so fd i s t a n tm u t u a l l yi n d e p e n d e n ts o u r c e sb ys p e c i f i cp r o c e s s i n ga l g o r i t h m m a n yw o r k sh a v eb e e nd o n ea b o u tv e c t o rh y d r o p h o n em u c he a r l i e ra b t o a d a n d n o wi th a db e e nw i d e l ya p p l i e di nv a r i o u sc a s e s i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mo f s i l e n ts u b m a r i n ed e t e c t i o n ，n o w a d a y sf o l l o w i n gt o p i c sh a v eb e e na t t a c h e d i m p o r t a n c et or e s e a r c h e sa b o u td e s i g no f v e c t o rh y d r o p h o n e ： ( 1 ) h i g hs e n s i t i v i t y ； ( 2 ) u l t r a l o w - f r e q u e n c yd e t e c t i o n ； ( 3 ) m i n i a t u r i z a t i o no f v e c t o rh y d r o p h o n e ； ( 4 ) s e l f - n o i s ec o n t r 0 1 a b o v ep r o b l e m sr e q u i r ed e v e l o p m e n to fn e ws e n s o rt e c l m o l o g yb a s e do n m e m st e c h n o l o g y ，o p t i cd e t e c t i o nt e c h n o l o g y ，i n t e g r a t i o nt e c h n o l o g ye t c ，a n d b ef i n a l l ys o l v e di ns o n a rd e s i g nw i t ht h eh e l po fd a t ai n t e g r a t i o nt e c h n o l o g y i n t h i st h e s i sd e s i g n & p r o d u c t i o no fv e c t o rh y d r o p h o n eb ym e a n so ft h e o r yo f d i e z o r e s i s t i v ee f f e c ta r i dm e m st e c h n o l o g yh a db e e np r o p o s e d ，i ti sd e s i r a b l et h a t t h ea p p l i c a t i o no fp i e z o r e s i s t i v ee f f e c tm a yi m p r o v et h el o w - f r e q u e n c ys e n s i t i v i t y o f v e c t o rh y d r o p h o n ea sw e l la si t sm i n i a t u r i z a t i o n i nr e s p e c to ft h em a n n e ro fv i b r a t i o np i c k i n g ，v e c t o rh y d r o p h o n e sc a r l b e v 哈尔滨工程大学博士学位论文 d i s t i n g u i s h e da sm o b i l ec i r c l et y p e ，p r e s s u r e g r a d i e n tt y p e ，a n dc o v i b r a t i n gt y p e e t c t h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fv e c t o rh y d r o p h o n eh a v i n gd i f f e r e n tt y p e sa r e d i f f e r e n t ，b u tt h e ya l lc a l ld e t e c tt h ev i b r a t i n gv e l o c i t yo fp a r t i c l e si ns o u n df i e l d ， a n dp o s s e s sd i r e c t i o n a lp a t t e mi nf o r mo f “8 - s h a p e i nt h i st h e s i sm a i n l yt h e w o r k i n gp r i n c i p l eo fc o - v i b r a t i n gv e c t o rh y d r o p h o n ed e s i g n e da n dp r o d u c e db y m e a n so f p i e z o r e s i s t i v ee f f e c ta n dm e m s t e c h n i q u eh a d b e e nd i s c u s s e di nd e t i a l f i r s t l y ，t h ec o n d i t i o no fv i b r a t i o ns e n s i n go fv e c t o rh y d r o p h o n eh a db e e n a n a l y z e db ys e v e r a lm e t h o d st og i v et h ef o u n d a t i o no ft h ed e s i g n s i n c et h et h e s i s c o n c e r n sa p p l i c a t i o no fn e w p r i n c i p l eo fa c o u s t i cs i g n a ld e t e c t i o n ，t h ef e a s i b i l i t y a n dc o r r e c t n e s so ft h ed e t e c t i o nt h e o r yo r i g i n a t ef r o mt h ec o r r e c t n e s so fa n a l y s i s o fv i b r a t i o ns e n s i n gm e c h a n i s m t h e r e f o r et h ec o n d i t i o no fv i b r a t i o ns e n s i n go f v e c t o rh y d r o p h o n eh a db e e na n a l y z e df r o ma c o u s t i cp o i n to fv i e w ，a n dt h e t h e o r e t i c a lm o d e lb ee s t a b l i s h e db o t hf r o mt h e o r yo fv i b r a t i o na n df r o mt h e a n a l y s i so fs o u n df i e l d ，t h ef e a s i b i l i t yo fa p p l i c a t i o no fp i e z o r e s i s t i v ee f f e c th a d a l s ob e e nd i s c u s s e da c c o r d i n gt ot h ed e s i g no f p i e z o r e s i s t i v ev e c t o rh y d r o p h o n e ， a sf o rt h ed e s i g no fp i e z o r e s i s t i v ev e c t o rh y d r o p h o n e ，m a i n l yt h ed e s i g n t e c h n i q u eo fs e n s i t i v ee l e m e n t s ，s t r u c t u r ef o rs i g n a lr e c e p t i o n ，a n dp l a t e s t y l e c o m b i n a t i o nh a db e e ni n t r o d u c e d w h e r ed e s i g no fs e n s i t i v ee l e m e n t si n c l u d e s ： ( 1 ) d e s i g no f s t r u c t u r a ls e n s i t i v i t y ； ( 2 ) d e s i g no f r e a c t i v em e t e r ； ( 3 ) d a m p i n gd e s i g n f o rt h ed e s i g no fs t r u c t u r es e n s i t i v i t y ，e x p r e s s i o n so fo u t p u ts e n s i t i v i t ya n d r e s o n a n tf r e q u e n c yh a db e e ng i v e n ，p a r a m e t e r sh a db e e no p t i m i z e dt om a t c he a c h o t h e r d e s i g no fs t r u c t u r ef o rs i g n a lr e c e p t i o nm a i n l yi n t r o d u c e st h ec o m p o n e n t s o ft h ee l e c t r i cc i r c u i ta n dt h ec a l c u l a t i o no fo u t p u ts e n s i t i v i t y ，a sw e l la s p r e l i m i n a r ya n a l y s i so fp r o b a b l ee r r o r s t e c h n o l o g i c a lm e t h o df o rm a n u f a c t u r eo f i n t e g r a t e dv e c t o rh y d r o p h o n eh a db e e nd e s c r i b e d m e t h o df o rm a n u f a c t u r eo fp i e z o r e s i s t i v ev e c t o rh y d r o p h o n e w i m o n e d i m e n s i o n a l t w o d i m e n s i o n a lo rt h r e e d i m e n s i o n a ld e t e c t i v ef u n c t i o n sh a d b e e nd i s c u s s e d ，w h i c hm a ya c h i e v eu t m o s ts e n s i t i v i t yt h r o u g hm i n i a t u r i z e dv e c t o r h y d r o p h o n e ，u n d e rt h ep r e m i s e o fe f f e c t i v e l yo v e r c o m i n gn o i s e s a c t u a l l y ， s e n s i t i v ec o m p o n e n t sa r em a d eu s i n gp i e z o r e s i s t i v ep r i n c i p l e ，a n dm e a s u r e m e n t c o m p o n e n t s a r ef o r m e db ym n l t i - p l a t ei n t e g r a t i o nt e c h n o l o g y t oc o m b i n e 微型矢量水听器研究 s e n s k i v ec o m p o n e n t sa n ds i g n a lr e c e p t i o nc i r c u i t ，i n c l u d i n gs t a n d a r dm a g n i f y i n g c i r c u i t ，a l lt o g e t h e rf o r mam u l t i p l a t es t y l ee l e m e n t t h u ss o u n ds i g n a l sc a l lb e m a g n i f i e da tt h ec l o s e s tp o s i t i o nt ot h ed e t e c t i v eo r i g i n ，t of o r mh i g h l ys e n s i t i v e c o m p o n e n t st oo v e r c o m en o i s e st oac e r t a i ne x t e n t t h ei n d u s t r i a l i z a t i o nc a nb e r e a l i z e dt h r o u g hs e m i c o n d u c t o ri n t e g r a t i o nt e c h n i q u e ，t h i c k f i l mi n t e g r a t e d c i r c u i t ，t h i n - f i l mi n t e g r a t e dc i r c u i to rp r i n t i n gc i r c u i tb o a r d f i n a l l y ，t h ew h o l e e l e m e n th a db e e nc o v e r e do v e r a l lb ya c o u s t i c a ls e a l i n g 埘t lh i g h - f r e q u e n c y ， l o w - a b s o r p t i o n ，l o w - s e e p a g ep o l y u r e t h a n em a t e r i a l st op r o v i d ew a t e r - p r o o f & p r e s s u r e - p r o o f t h ed e s i g nt e c h n o l o g yo fp i e z o r e s i s t i v es e n s i t i v ec o m p o n e n t sh a d b e e nd e s c f i b e di nd e t a i l d u et ot h el i m i t a t i o no fo p e r a t i o n a lr a n g eo fs o u n da b s o r b i n gp o o la n dt h e d e s i g n e dw o r k i n gf r e q u e n c yr a n g eo fp i e z o r e s i s t i v ev e c t o rh y d r o p h o n e ，b a s e d o nt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h ep r o p e r t i e so fp r e p a r e dv e c t o rh y d r o p h o n e sh a db e e n m e a s u r e db o t hb y v i b r a t i o n p l a t f o r m a n di ns o u n d a b s o r b i n gp 0 0 1 t h e m e a s u r e m e n to nv i b r a t i o n p l a t f o r mg i v e sa s t r a i g h ta n ds m o o t hf r e q u e n c y r e s p o n s ei nt h er a n g eo fs e v e r a lh e r t zt o4 ，0 0 0h e r t z v e c t o rh y d r o p h o n e sh a da l s o b e e nc a l i b r a t e di ns o t m da b s o r b i n gp o o lo ff i r s t - c l a s sn a t i o n a l d e f e n s eu n d e r w a t e r a c o u s t i cc a l i b r a t i o ns t a t i o n t h er e c e i v i n gs e n s r i v i t yh a db e e nm e a s u r e db y m e t h o do fc o m p a r i s o no fp u l s e sw i t h i n1 - - 4 k h z a c c o r d i n gt og b t 3 2 2 3 9 4 & g b 7 9 6 5 2 0 0 2 d i r e c t i o n a lp a t t e mh a db e e ng o tu s i n gs o u n dp u l s e so fp u r et o n e ， a c c o r d i n gt og b t 3 2 2 3 9 4 & g b 7 9 6 5 2 0 0 2 r e s u l t so fc a l i b r a t i o ns h o w e dt h a t m i n i a t u r i z e d p i e z o r e s i s t i v e v e c t o r h y d r o p h o n e ，h a sh i g hs e n s i t i v i t y ，a n d s a t i s f a c t o r yd i r e c t i o n a lp a t t e r n ，s a t i s f i e dt h er e q u i r e m e n t s f o rl o w f r e q u e n c y a c o u s t j cm e a s u r e m e n t k e yw o r d s ：p i e z o r e s i s t i v ee f f e c t ；m e m st e c h n o l o g y ；v e c t o rh y d r o p h o n e ； c o - v i b r a t i n gt y p e v i i 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导 下，由作者本久独立完成躲。有关理点、方法、数据帮文 献等的引用已在文中指出，并与参考文献相对应。除文中 已经注明引用的内容岁 ，本论文不包含任何其他个人或集 体已经公开发表的作品成果。对本文的研究做出熏要贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：竖殛盗 沙6 年；月汐窭 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 概述 水声学作为声学的一个分支，主要研究声波在水下的产生、辐射、传播 和接收的理论，用以解决与水下目标探测、识别以及信息传输过程有关的声 学问题。在海战中，声纳是海上作战个体( 各种舰、艇) 的感官，尤其是水 下侦察，更是缺之不可。在民用领域，声纳系统同样发挥着重要作用，例如 水下通讯、鱼群探测、海底勘探等等。水声换能器( 水下各种发射、接收测 量传感器总称，包括标量传感器，俗称水听器和矢量传感器，也叫矢量水听 器) 作为声纳系统的重要部件之一，是水声学的一个重要研究方向，新型水 声换能器的研究是我国海军声纳技术革新的一个关键内容。 由于核动力潜艇的出现，反潜问题受到各国极大的重视，新电子技术在 声纳中的应用，使声纳的发展更为迅速。在声纳的应用中，除了人们熟知的 希望采用低频、大功率和大基阵尺寸提高声纳指标外，在水声领域声纳技术 方向的几项新成就正推动着声纳技术迅速的发展，例如： 1 、低频探测传感器的技术进步，使深海声传播途径的应用成为可能 由于水下声波的吸收随频率的增加而增大，因此低频信号衰减小， 可以利用深海声传播途径，实现远程目标探测以及环境检测； 2 、信号处理技术和数字技术的应用可以提高输出信噪比，从而可以提 高设备的作用距离 早期的声纳接收机基本上是对接收的信号只进行简单的放大，检波 后进行显示或收听，几乎没有采用信号处理技术。随着专用和通用高速 信号处理器( d s p ) 的出现和各种新的信号处理算法( 快速傅立叶变换 f f t 、数字波束形成、互谱法定向、自适应算法) 的开发应用，使当今的 声纳已经成为由计算机管理的多个数字信号处理器组成的系统； 3 、新声纳体制的采用 哈尔滨工程大学博士学位论文 舰壳安装的主动声纳常受本舰航行噪声的限制，拖曳线列阵声纳体 制的采用使作用距离大大增加，拖曳线列阵声纳已成为国内外相继采用 的新型被动声纳“1 。被动测距声纳使潜艇可以完全依靠被动声纳对敌舰 进行定位，并引导鱼雷实施攻击等； 4 、被动目标识别技术的研究与应用 潜艇在对目标作出性质识别之前往往无法采取行动，目标识别的过 程由特征分析、特征提取和目标分类鉴别三步构成。由于进行目标识别 时必须有一个包含各种目标信息的数据库和一整套目标识别软件，因此 目标识别实际上是一个复杂的计算机软件工程。基于上述内容，前端检 测信息量的增大对后续信号处理大有益处”“”。 以上这几项水声领域声纳技术的新成就构成了对水声换能器的新的技术 需求： ( 1 ) 低频检测有助于远程声传播途径的应用，可实现低噪声目标探测； ( 2 ) 矢量检测可以增大前端信息获取量； ( 3 ) 多信息检测可以通过信号处理技术实现复杂检测； ( 4 ) 小尺寸的检测基元可以克服长基线拖曳阵的工程实际问题。 1 2 国内矢量水听器发展现状 矢量水听器的研制应用正是在这种不断进步的技术需求推动下逐步发展 起来的。我国声纳技术中的信号处理技术发展较快，如t m a 技术、a p s e 技术、 a l e c a 技术，相关技术及自适应技术等，其技术水平与国外基本同步，而湿 端技术则明显不足。 我国的矢量水听器技术始于二十世纪九十年代，敏感原理基本上采用的 都是压电原理，也有电动原理的动圈式矢量水听器，形式上有压差式的、不 动外壳式的和同振式的几种“1 ，1 9 9 7 年哈尔滨工程大学引进俄罗斯三维同振 式矢量水听器技术促进了矢量水听器技术的发展，已先后研制出多种具有自 2 第l 誉绻论 主知识产权的矢量水听器， 如动圈式矢爨水听器蝴、懋臂梁式多维测振传感 器”3 、压亳溺擞弯夔式瓣摄黧矢量隶獗器珏啦、二缝麓攘 主形缀合矢霆承萼荦嚣 “、采用双迭片压电敏感元饽豹同援撞型矢量水嘶嚣8 ”、溅量趣声场声强赐 组合式水昕器的设计方案“”、中频三维球型矢量水听器“，此种水晰器已作 为了2 3 1 声镄戆冬瑶方巢，2 3 1 声续楚在举| 遂法函技拳羹礁上疆铡菠遗豹， 其使用的传感器直径为8 c m ，目前其整体水平与法翻捆当。但在装器上目前 还处于试验应用阶段，许多工程化成糟闻邀正在逐步解决。矢鳖水听器的出 现蠖声缡偿惑鹣获取量获褥了缀太撮离，扶藏寒熬只黢测量栋爨( 声援) 镶 惑，转变到w 测声场的矢量信息( 质点掇速，加速度等) ，这燧信息量的加 大，对声纳信号处理大有盏处。 本文在上述技术基勰上撼出采用压阻躁理，裂躅m e i i s 工艺剑柞矢量水瞬 器技术。采用压阻效应原理制作矢最水听器技术具有创新性，新技术的采用 可以瓣望实现矢量承骄器的微鳌往设计，帮在足寸彳窜褥小静倩况下，矢量永 昕器仍然有良好的声压接收灵敏度和低频特性。由于其舆有矢掇测鬃、低频、 小尺寸、荔予复合设计( 标爨、矢量复合测量) 、灵敏虔高、及易于进行集 减设计等瞧能褥点，谴之与辩蓠莓浅井瀛行鹃莲滚式矢盏东氍器裰院有穰多 优势。因此在军用领域、民用领域需求广泛。可应用于不同类型的声纳中。 随着技术的不断递步发鼷，技术霈求麓范重越米趟f “，幂溺m e m s 技术 裁作懿隶繇器褥获褥越来越大涎发震突润。 ，3 雷外矢璧衣瞬器技术动态 在国外，矢量水听器的研制工作最早始于二十世纪四十年代的美国，以 茭灏学者聂专每代发表熬有关镬露蠼烽传感器壹接测爨承中矮患撅遮豹经典 论文“”为标患起点，后来相继在苏联、英圈、日本、法国逐步开展这方面的 研究工作。1 9 9 1 年美国声学杂志第8 9 卷第3 期和籀9 0 卷第2 麓连续刊出荑 饿辑霉学者三篇有关声矢爨传感器研究方聪龅论文“州”儿，1 9 9 5 年美国海军 哈尔滨工程大学| 尊士学位论文 研究局资助美国声学学会举行声矢量传感器专题研讨会，并出版了“声质点 振速传感器：设计、性能和应用”论文集“，反映了当时美国声矢量传感器 的研究动态。2 0 0 2 年i e e e 的o c e a n s 设立了“声质点振速传感器”专题，设 计内容广泛，反映了一些最新研究情况。俄国声矢量传感器技术的基础研究 和应用研究相对于美国讲要走得更远些“。声矢量传感器的设计先后采用的 原理有电动原理( 动圈式) ，如美国专利：u n d e r w a t e ra c o u s t i ci n t e n s i t y p r o b e “，压电原理，形式上多种多样，4 0 年间，申请专利1 4 0 多项”1 。国外 声矢量传感器应用较多。2 “2 ”，已应用于v e c t o ra c o u s t i cm i n em e c h a n i s 。“、 a c o u s t i cl e a kd e t e c t i o ns y s t e r m 。”潜艇声纳系统。”等，其中美国的“d i f a r ” 声纳系统采用的是s v l 、s v 2 两种型号的振速水听器。利用水听器准基阵的 s w a l l o w 浮标系统，由8 个阵元组成基阵，1 5 0 m 等间距垂直布放，工作深度 4 0 0 1 3 0 0 m ，分析频带为0 6 2 0 h z ，对于舰船辐射噪声的次声分量，声强 信噪比的增益比单纯的声压测量高3 6 d b 。另外美国的j bf r a n k l i na n d p jb a r r y 。”和b e n j a m i n 较具有代表性。其所作矢量水听器都是采用压电原 理，其中b e n j a m i n 利用p c b 公司t 3 5 6 8 0 8 型加速度计采用部分集成电路工艺， 所作的矢量水听器”达到指标如下： 频响：l o o h z 2 0 0 0 h z 灵敏度：l o o m v g 尺寸： 5 c m 由此可见，矢量水听器的应用，随着检测信息量的加大，最低检测频率 已经达到0 6 h z 的次声频段，而且外形尺寸越来越小。 随着新技术的不断发展，不论标量水听器、还是矢量水听器，各种敏感 机理的测试( 制作) 方法都有不同的尝试。比如见著报导的有几种标量水昕 器：如采用p v d f 膜( 膜厚i 0 0 0 l jm ) 的水声传感器，已被英国和法国海军 用于潜艇，称为“f l a n ka r r a y s ”，光纤水昕器，如日本东京大学报导的o p t i c a l i n t e r f e r e n c et y p em i c r oh y d d r o p h o n ef a b r i c a t e db ym i c r o m a c h i n i n g 等，另外还有 m e m s 水听器的报导，如美国波士顿大学研制的水下声场传感器“，通过检 4 纂1 章绻论 i i 。 i i i i i i i i i 1q i ；i i i 嘲黼_ # _ j 葛；i i 女嗣_ 将# 黼i i ；i i 黼 测反射的激光荣检测声场变化。如图1 。1 所示 驽t 。t 波圭顿大学m e m s 承鞭嚣 f i 9 1 1b o s t o nu n i v e r s i t ym e m sh y d r o p h o n e 在永声领域，h o w a r d k 。r o c k s t a dt h o m a s 。w + k e r m y 等人，1 9 9 6 年裁瘸 m e m s 藏术帮邀子原穗，露作出了2 嵇8 c m 3 爵激涮声速度健惑器。满足了麓 鞭海军熬辩黉”“文献9 分缨了远璃任何反射边努始水下声矢攮鼹感器的方 商特性及藏褥簸8 ”。文献1 0 奔绍了嵇新麓适露予任意空蕊阀黼黪三缝室阍 矢爨承露辫述有一黪羧譬，垂予犊徽溺静资辩遂不够谨黎，遴无法舞鞭 m e m s 水噼器的性质。 冷袋麓麓为了对待蒸联的灌藤威胁，甍军建立声继爱潜镳。警簿美溪 联合蠢本、漆丈裁委等藤豁装了一祭上万公墨豁蕊褫线，秉瘸淤大麓粱黧溪 方式监视游联拨潜艇在鞭太平洋地噬的活动。这祭般视线沿囱令海峡外的阿 罄牵群岛鬻下予避嚣岛，缝道瑟本瓣瀑邋律至琉臻黎鹣寒拣。运袋“反港键” 囊海藤霾淹蕊被动声聚、拳蕊怒艇、爱游飞蔑等谈器缴感。冷战港索螽，“菠 潜链”非假没有随着苏联的解体而两解，反而继续加强，特别熄千鹩群岛黧 躐簿嚣岛缝戆菠潜力蕊激冷皎鬻灏太太壤蘧，弼遮一鼗籁送域薅蓬燹鬻款 海勰获、豢海鼹队遂凌太平洋戆门户。摄遵黎，焚翠茏为关注我零潜艇鄂瓢 近年来的长足发展，并谢计划地增加了对中国近海的犁事侦察，利用美海誉 鹣精墼声镄，毒浚藜酶避海厦潜颈饕系统，金圈捺税我餐海攀攀巍、潜艇潘 5 哈尔滨工程大学博士学位论文 动以及军舰和飞机间的通讯联络。世界上很多国家都在其海岸线设有岸站， 形成海岸预警系统，用于民用和军用侦察。 最近，据介绍。，美军将在亚太布设的新型声纳是一种全天候被动式声 纳，具有极强的探测静音型潜艇的能力，较之以前使用的主动式声纳和中频 被动式声纳，其侦测距离可达3 0 0 海里以上，且具有更易于隐蔽( 被动接受 潜艇信号，不暴露自己的位置) 和定位精度高等特点( 装备有惯性卫星定位 复合定位系统) ，是美国建设的近海反潜预警系统的核心部分。据此判断， 这种新型声纳所用水听器应具有低频检测能力，耐静压，并且具有矢量检测 能力、定位精度高等特点。 国际科学应用系统公司是美国国内最大、实力最强的商用和军用海洋器 材研究机构。该公司研究人员透露，美军利用“鲍迪奇”号侦察船在中国近 海海域投放了一种新型声纳系统的试验产品。从2 0 0 1 年至今，以“鲍迪奇” 号为首的美国各型间谍船已经在中国近海海域活动了数十次之多，投放了上 百个带有该型声纳的水下听音器，在重要航道组成了“水下听音器定位阵列”。 目前，该计划已进入第二阶段，美军企图在第一阶段试验的基础上，进一步 针对中国近海海域的特点，改进声纳的侦测效果，并在2 0 0 5 年利用该型声呐 构成范围达3 0 0 0 - - 5 0 0 0 平方公里的侦察网。 美国非常重视多传感器侦察系统的发展，在其国防部关键技术计划中， 将多传感器一体化系统与雷达探测系统、光电探测系统及声探测系统相并列， 并制定了明确的发展目标，英国、法国、俄罗斯、以色列、瑞典等国在多传 感器一体化探测系统方面也有较高的水平。目前世界上正在研制和形成装备 的多传感器集成电光侦察系统已有许多种”。“。 光纤水听器是利用光纤技术探测水下声波的器件，它与传统的压电水听 器相比，具有极高的灵敏度、足够大的动态范围、本质的抗电磁干扰能力。、 无阻抗匹配要求、系统“湿端”质量轻和结构的任意性等优势，因此足以应 付来自潜艇静噪技术不断提高的挑战，适应了各发达国家反潜战略的要求， 被视为国防技术重点开发项目之一。 第1 章绪论 光纤水l ! j 亍器的主要军臻应用为：全光纤水听器撒曳阵列、全光纤海底声 监视系统( a r i a d e n 计划) 、全光纤轻型潜艇和水颟舰船共形水孵器阵列、 怒低频毙纾梯发零褥器、海洋环凌噪声及安静墼潜艇礤声溅董。 美国对遮项技术的研究始于7 0 年代末，到1 9 9 2 财政年度已投入超过1 亿美元的研究和开发经费。美国海军研究实验室( n r l ) 、海军水下装备中心 ( n g 观) 、g o u l d 公司海誊蘩统分公司懿l i t t o n 刳馨帮控裁公司联合牙发了 全光纤水听器拖曳阵剜( a o t a ) ”、潜艇和水面舰舟共形水听器阵捌( l w p a ) 游各种不同殿潜应用类型的海试系统，经过大量海上试验，已达可以部署的 状态。目前 也们正在开发大翘模( 几百个单元) 的全光纤水昕器障列系统及 獒稚关技术。_ i 磊十年来，麓强已薅全党纾东褥器及冀箨雍翡墨释应蹭场合都 进行了试验，试验结果很成功。 英国对水听器的研究主要由p l e s s e y 国防研究分公司、海军系统分公司 露马可尼东下悉绞毒浆公嗣零担，开发了全光纾零瞬瓣拖叟薄捌、海底声监 视系统等各种不同反潜应用的海试系统，也进行了一系列海上试验。 d a v i d s o n 仪表公司采用m e m s 工艺开发机舰载光纤压力传感器。由于光 纤传感器拭电磁千抗、抗投辐射，美国海军中心设计d d 一2 1 登陆玫蠢驱逐舰， 婺求采露税魏载光纾签澜系统。惑共计戈l 装备2 5 0 ，0 0 0 只光纾健感器，每 个系统要装备几千只光纤传感器。在航天器中也需藤这种光纤监控系统来测 控发动机的参数。 图1 i2 中介绍了机舰载光纤压力传感器的原理”1 。 图1 2 飞机是见舟a 用光纤传感器原理 f i 9 1 2 s c h e m a t i cd i a g r a mo f f i b e rs e n s o rf o ra i r c r a f t s v e s s e l s 7 哈尔滨工程大学博士学位论文 1 4m e m s 技术在矢量水听器中的应用展望 将压阻原理、m e m s 技术应用于矢量水听器是一种新原理、新方法的尝试。 其工作原理是沿一块半导体某一轴向施加一定应力时，材料的电阻率要发生 变化，这种现象称为半导体的压阻效应。不同类型的半导体，载荷施加的方 向不同，压阻效应也不同。二十世纪5 0 年代开始出现