针对微机电系统(MEMS)矢量水听器灵敏度低的问题, 该文主要采用有限元频域分析法对一种新型结构的MEMS压电式矢量水听器进行了仿真与结构优化。对于一种新型具有U形槽悬臂梁结构的加速度灵敏度随压电层厚度或频率的变化进行了研究, 优化了结构参数, 提高了灵敏度。结果表明, 当硅梁厚为16 μm, 压电层厚为硅梁的51%时, 可使结构的加速度灵敏度达最大。与单臂悬臂梁结构相比, 双U形槽结构的加速度灵敏度及相应的矢量水听器灵敏度提高了11 dB。

针对水听器的频响曲线会在透声帽谐振频率处出现共振峰, 使水听器频响曲线失真, 工作频带变窄等问题。本文考虑水听器的工作环境, 通过研究流体-结构相互作用对透声帽谐振频率进行了分析。首先理论分析流体对结构模态频率的影响, 分析显示在流体作用下透声帽谐振频率会降低。然后利用LMS Virtual.lab Acoustics有限元软件对空气中和液体中的MEMS矢量水听器芯片和透声帽进行了模态分析; 并利用振动平台和驻波管对有否进行透声帽封装的MEMS矢量水听器进行了测试以验证上述分析。验证结果显示: 透声帽在水中的实际一阶谐振频率为550 Hz, 与仿真结果非常吻合, 表明该谐振频率可使水听器工作频带变窄。实验结果表明: 对水听器中透声帽的流固耦合模态分析非常必要, 通过准确地获得透声帽在实际状态下的固有频率并预测水听器的接收频响特性, 可为改进封装结构提供理论依据, 为进一步优化水听器奠定基础。