發(fā)布時間：2020-07-04 06:52

【摘要】：由于敵海上力量的阻止,傳統(tǒng)的偵測船、反潛飛機(jī)和潛艇等平臺在對敵方潛艇進(jìn)行偵測與定位時具有一定的局限性。無人水下航行器(UUV)具有成本低、體積小和作戰(zhàn)靈活、活動范圍廣的特點,可以補(bǔ)充傳統(tǒng)偵測平臺的不足之處,成為各國海軍研究的熱點。聲波仍是目前可以在水下進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)男问?水聽器可以將聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號,水聽器是進(jìn)行水下探測的關(guān)鍵部件。矢量水聽器與標(biāo)量水聽器相比可以測量聲場中的矢量信息,抑制環(huán)境中的各向同性噪聲而成為未來的發(fā)展方向。聲波的頻率越高在在水中的衰減速率越快,隨著對潛艇探測距離要求越來越遠(yuǎn),水聽器的工作頻率也越來越低。UUV等小型搭載平臺在工作時不可避免地會受到海浪、洋流等外部沖擊的影響,水聽器可以抑制振動干擾是其實際應(yīng)用的基礎(chǔ)。要實現(xiàn)對潛艇的準(zhǔn)確定位,水聽器應(yīng)可以測量三維空間的聲波信號,再考慮到UUV的搭載能力有限,水聽器應(yīng)當(dāng)是一種單片集成三維MEMS水聽器。中北大學(xué)基于仿生原理提出的壓阻式仿生MEMS矢量水聽器,具有體積小、成本低和低頻響應(yīng)特性好的特點,在聲納系統(tǒng)中具有較好的應(yīng)用前景。但是當(dāng)前的仿生MEMS矢量水聽器不能同時實現(xiàn)三維空間聲波測量和抑制振動干擾。針對此問題本文設(shè)計了單片集成的、可以抑制面內(nèi)振動干擾的仿生MEMS三維矢量水聽器。(1)提出了一種可以抑制振動干擾的仿生MEMS三維矢量水聽器。水聽器是一種“纖毛-支撐塊-八梁”結(jié)構(gòu),纖毛可敏感X方向和Y方向的聲波信號,支撐塊可以敏感Z方向的聲波信號。通過封裝,X/Y方向的聲波信號可以作用到纖毛上而不能作用到支撐塊到上。然而,水聽器受到的X/Y方向振動干擾可以同時作用到纖毛和支撐塊上,纖毛和支撐塊對梁的彎矩可以相互抵消,從而減小了梁表面壓敏電阻所受到的應(yīng)力,有效地降低了水聽器受到振動干擾輸出的信號。(2)建立了抑制面內(nèi)振動干擾的仿生MEMS三維矢量水聽器數(shù)學(xué)模型。建立了水聽器受到X/Y方向和Z方向聲波信號、振動信號時梁縱向應(yīng)力的數(shù)學(xué)模型。建立了求解水聽器前三階固有頻率的數(shù)學(xué)模型。(3)抑制面內(nèi)振動干擾的仿生MEMS三維矢量水聽器的有限元仿真。仿真分析了梁的長度、寬度、厚度,纖毛的半徑和高度、支撐塊的長度和厚度對水聽器性能的影響。綜合考慮不同結(jié)構(gòu)參數(shù)對水聽器性能的影響,設(shè)計了水聽器的具體結(jié)構(gòu)尺寸。對所設(shè)計的水聽器和傳統(tǒng)的水聽器進(jìn)行了靜態(tài)、模態(tài)、諧響應(yīng)和瞬態(tài)響應(yīng)仿真,驗證了數(shù)學(xué)理論模型的準(zhǔn)確性。(4)抑制面內(nèi)振動噪聲的仿生MEMS三維矢量水聽器的加工。仿真分析了不同工藝參數(shù)對加工結(jié)果的影響;制定了水聽器芯片的加工流程和工藝參數(shù)并完成了纖毛與芯片的集成。(5)抑制面內(nèi)振動噪聲的仿生MEMS三維矢量水聽器測試。駐波桶測試結(jié)果表明,X、Y和Z三個通道的聲學(xué)靈敏度400Hz時分別為-182dB、-187dB和-160dB(0dB=1V/μPa),凹點深度分別為34dB、35dB和33dB。振動臺測試結(jié)果表明本文設(shè)計的水聽器相對于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的水聽器振動噪聲靈敏度在100Hz降低了約92%。水聽器同時受到聲波信號和振動干擾時的實驗結(jié)果表明,本文設(shè)計的水聽器可以有效地抑制面內(nèi)振動干擾的影響。
【學(xué)位授予單位】：中北大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB565.1
【圖文】：

中北大學(xué)學(xué)位論文會議，會議的主要內(nèi)容刊登在《聲質(zhì)點振速傳[19]。一種聲壓梯度水聽器，其靈敏度為-240dB (0 測量[20]。1998 年，G.C.等人研制的復(fù)合式三維瓷球內(nèi)部裝有正交放置的壓電式加速度計，壓陶瓷球殼用來測量聲壓信息，加速度計用來測

圖 1.1 G.C.等人研制的水聽器da 等人研制出了一種型號為 SV-1 的水聲傳感器質(zhì)點振速的同振型聲壓梯度水聲傳感器，工作 年，該研究團(tuán)隊完成了對水聲傳感器的改進(jìn)，得頻率的下限降到了 15Hz[23]。這兩種型號的水聲傳，其靈敏度不高。

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本文編號：2740794