MOEMS声传感技术及低频声传播特性研究

论文摘要

在现代海战中,随着空中威胁目标的快速发展,水下航行器的生存面临着越来越大的挑战,在两者的对抗中形成了“空优潜劣”的格局。为了打破这种格局,世界各国都在大力研制潜空武器系统。而我国拥有辽阔的海疆,水下航行器是保卫海疆不可缺少的“卫士”。若要在未来海战中进行有效的对敌防御和攻击就必须拥有有效的潜空探测系统。这对于保证国防安全、人民生命财产的安全,具有重要的意义。本论文根据国家863项目的要求,主要对水空探测系统中的MOEMS声传感技术及海空背景下空中低频声源在空中和海水中的传播特性进行了研究。本论文的主要研究内容如下：（1）对MOEMS低频声传感头部进行了详细的设计和仿真：结合法布里-珀罗干涉仪的基本原理,对MOEMS低频声传感器头部腔体的传输损耗、腔长、反射率进行了详细的设计和仿真；对凸台式微机械敏感薄膜的形变理论以及与优化声学特性相关的声辐射阻抗特性进行了详细的推导、仿真和讨论,在此基础上对微机械敏感薄膜进行了详细设计；结合设计系统设计要求,详细设计了低频声传感探测头,进行了总体的仿真；（2）对MOEMS低频声传感器头部进行了制作：针对微机械敏感薄膜的厚度很薄,在制作过程中极易损坏的技术难点,设计了使用湿法腐蚀的方法来形成薄膜的技术方案；采用微机械加工工艺制作了微机械敏感薄膜,并对工艺中存在的问题,如裂纹、切片、不均匀性等存在的问题进行了分析,指出了改进方向；在对封装损耗中出现的轴向失配、角向失配和间隙失配进行分析和仿真的基础上,用毛细玻璃管、准直器和微机械敏感薄膜对低频MOEMS声传感头部进行了封装,制作了MOEMS低频声传感器的样品；通过与以色列的FOM声传感器进行对比试验,我们研制的MOEMS低频声传感器的灵敏度为50mV/Pa;（3）由于研究对象是空中低频声源在海空背景下的传播,本文采用了快速场算法对低频声源的传播特性进行研究。论文对基于传播矩阵的快速场算法进行了推导。并通过理论计算方法对快速场算法中的核函数以及传播损耗进行了比较验证,证明了基于传播矩阵的快速场算法的正确性；对快速场算法中频率与采样点的关系进行了仿真和比较,得出对于较高频率的声源,使用快速场算法时采需要更多的样点的结论;（4）论文对影响声传播的海洋温度、盐度、深度等海洋声学特性进行了详细论述,在此基础上对海空背景下,空中低频声源在等速浅海环境下空中和水下传播的特性,以及声源高度、传播衰减系数对传播特性的影响；对声速为正／负梯度浅海模型、典型变声速深海模型中的水下声传播特性进行了仿真,得出了低频声源在水下水平方向和垂直方向上的一些传播特性的结论,并从理论上对仿真结果和得出的结论进行了解释；（5）通过消声水池对半无限空间进行模拟,在消声水池中对不变声速的半无限空间环境的空中低频声源（100Hz的脉冲声波）的水下声传播特性进行了模拟实验,实验结果较好的验证了中远场仿真模型的预测；由于模型中忽略了侧面波的影响,实验中在近场的实测结果与仿真结果有偏差。综上所述,本论文对水空探测系统中低频声探测浮标的关键器件进行了设计和试制,从实践上证明了基于非本征法布里-珀罗干涉仪结构的MOEMS低频声传感器的设计方案能够对低频信号进行探测,为低频声探测浮标的进一步研制奠定了理论和实践的基础。本文又通过对海空背景下空中低频声源在空中和海水中的传播特性的进行的仿真研究,以及在消声水池里进行的实验研究,从理论和实验上为水空探测系统中声阵列的布阵、声探测提供了理论依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 光纤声传感器的研究概述
• 1.3 空中声源水下声传播建模技术研究概述
• 1.4 本论文的主要研究内容
• 1.5 本章小结
• 2 MOEMS声传感器的设计与仿真
• 2.1 引言
• 2.2 低频MOEMS声传感系统的基本结构和设计要求
• 2.3 法布里-珀罗干涉结构的设计和仿真
• 2.4 微机械敏感薄膜的机械形变理论及仿真
• 2.5 微机械敏感薄膜的声辐射阻抗
• 2.6 MOEMS低频声传感头部的设计与仿真
• 2.7 本章小结
• 3 MOEMS低频声传感器的制作与试验研究
• 3.1 引言
• 3.2 微机械敏感薄膜的制作
• 3.3 封装
• 3.4 试验
• 3.5 本章小结
• 4 基于传播矩阵的快速场算法研究
• 4.1 引言
• 4.2 波动方程及其定解条件
• 4.3 空中点声源的快速场模型
• 4.4 算法验证
• 4.5 频率与抽样数的讨论
• 4.6 本章小结
• 5 空中低频声源空间传播特性及试验研究
• 5.1 引言
• 5.2 海洋声学特性
• 5.3 低频声源在等速浅海环境中的传播
• 5.4 低频声源在变梯度海洋中的传播
• 5.5 低频声源水下声场实验研究
• 5.6 本章小结
• 6 总结和展望
• 6.1 全文总结
• 6.2 创新点
• 6.3 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读博士学位期间发表论文目录
• 附录2 攻读博士学位期间成果列表