抑制面内振动干扰的仿生MEMS三维矢量水听器研究

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 1 绪论
•   1.1 研究背景及意义
•   1.2 矢量水听器研究历史及现状
•     1.2.1 三维矢量水听器的研究历史及现状
•     1.2.2 矢量水听器抑制振动干扰的研究历史及现状
•   1.3 本文研究目标
•   1.4 本文研究内容及章节安排
•     1.4.1 本文研究内容
•     1.4.2 论文章节安排
• 2 仿生MEMS三维矢量水听器设计
•   2.1 水听器结构方案及声波检测原理
•     2.1.1 水听器结构方案设计
•     2.1.2 声-力-电转换机制
•     2.1.3 力-电转换机制
•   2.2 水听器声场数学模型
•     2.2.1 Z方向声波数学模型
•     2.2.2 X方向声波数学模型
•     2.2.3 准静态应力分析
•   2.3 水听器面内振动信号数学模型
•   2.4 水听器固有频率数学模型
•     2.4.1 水听器一阶、二阶固有频率数学模型
•     2.4.2 水听器三阶固有频率数学模型
•     2.4.3 水听器湿模态固有频率
•   2.5 仿生MEMS三维矢量水听器分析系统
•   2.6 本章小结
• 3 仿生MEMS三维矢量水听器有限元分析
•   3.1 结构参数对水听器性能的影响
•     3.1.1 纤毛对水听器性能的影响
•     3.1.2 梁对水听器性能的影响
•     3.1.3 支撑块对水听器性能的影响
•     3.1.4 支撑块厚度对抑制面内振动干扰的影响
•   3.2 纤毛集成误差对最大应力的影响
•     3.2.1 纤毛偏移对水听器最大应力的影响
•     3.2.2 纤毛偏转对水听器最大应力的影响
•   3.3 仿生MEMS三维矢量水听器设计
•     3.3.1 水听器结构参数设计
•     3.3.2 压敏电阻设计
•   3.4 水听器性能仿真分析
•     3.4.1 水听器稳态仿真分析
•     3.4.2 水听器模态仿真分析
•     3.4.3 水听器谐响应仿真分析
•     3.4.4 水听器瞬态响应仿真分析
•   3.5 本章小节
• 4 仿生MEMS三维矢量水听器加工
•   4.1 关键工艺分析
•     4.1.1 光刻工艺
•     4.1.2 掺杂工艺
•     4.1.3 刻蚀工艺
•   4.2 水听器工艺步骤设计
•   4.3 水听器工艺流程制定
•   4.4 敏感纤毛与水听器芯片集成
•   4.5 本章小结
• 5 仿生MEMS三维矢量水听器测试
•   5.1 传感器形貌测试
•   5.2 压敏电阻一致性测试
•   5.3 水听器稳定性测试
•   5.4 水听器校准测试
•     5.4.1 水听器校准方法
•     5.4.2 水听器灵敏度校准
•     5.4.3 水听器指向性校准
•   5.5 水听器振动噪声灵敏度测试
•   5.6 水听器抑制面内振动干扰测试
•   5.7 本章小结
• 6 总结与展望
•   6.1 工作总结
•   6.2 论文创新点
•   6.3 工作展望
• 参考文献
• 攻读博士期间发表的学术论文及取得的成果
• 致谢

文章来源

类型: 博士论文

作者: 宋金龙

导师: 张文栋,王任鑫

关键词: 抑制面内振动干扰,仿生,三维矢量水听器,单片集成

来源: 中北大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 物理学,工业通用技术及设备

单位: 中北大学

分类号: TB565.1

DOI: 10.27470/d.cnki.ghbgc.2019.000013

总页数: 123

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