基于MEMS的低频微小型矢量水听器机理的研究

将MEMS技术、电容式变换原理应用于矢量水听器的研究当中，是国内矢量水听器研究领域的一个新的发展方向。本项目基于电容变换原理，针对水下弱信号具有小振动g值的特点，研究适合于矢量水听器内部振子的三维硅微电容传感器，它是采用硅材料作为敏感元件的，而且电容式传感器的固定极板与可动极板之间的间隙是在微米数量级上的。找出三维电容式加速度传感器内部空气阻尼对其的作用规律，为电容式变换原理应用到矢量水听器设计当中提供理论和实验数据，从而达到矢量水听器微小型化的目的。针对微小型矢量水听器的特点进行结构设计、振动分析、检测基元设计、传感器阻尼设计与调整；在完成理论研究的基础上进行实验验证：制作工作频带为10-800Hz、最大线性尺寸不大于20mm、灵敏度为-188dB（0dB=1V/μPa,测试频率为800Hz，不带前放）的矢量水听器样品，并根据其性能测试结果来检验理论分析的正确性。

本项目以水声工程中水下目标探测为研究背景，对低频微小型矢量水听器进行了研究。复合式矢量水听器兼有声压通道和矢量通道，并且二者具有相同的等效声中心，可以空间共点、时间同步地获得水下的标量和矢量信号，从而完备地描述声场信息。同振式矢量水听器由于其工作原理简单、灵敏度高、指向性高、工程使用方便等优点而成为目前工程应用中普遍采用的结构。.本项目在MEMS传感器研究的基础上，开展了低频、小尺寸、具有两端带球帽的柱形结构(胶囊形结构)、复合式矢量水听器的研究。首先利用有限元软件COMSOL Multiphysics软件对基于球体、柱体和胶囊体三种结构的声接收器的指向性和振速比进行相关计算和对比，其次分析球体和柱体两种结构的声接收器的柔性悬挂模型，给出了胶囊形声接收器的近似悬挂模型。针对微小型矢量水听器开展了结构设计、振动分析的研究，并设计、制作了外形尺寸为Φ20×35mm、工作频带为10~2000Hz的同振式矢量水听器样机。经实际测试，矢量水听器样机平均密度为1150kg/m3，声压通道灵敏度值为-202~-198dB(0dB=1V/μPa)，矢量通道灵敏度值为-190dB~-188dB(1000Hz，0dB=1V/μPa)，在工作频带内矢量通道具有良好的余弦指向性。测试结果表明：矢量水听器样机完成了项目的预期目标，所得结果符合指标要求，达到了矢量水听器低频、小型化的目的。.实测灵敏度值为-190dB~-188dB(1000Hz，0dB=1V/μPa)，在工作频带内余弦指向性良好，满足了拖曳阵的应用要求。