基于智能材料驱动的高速开关阀具有比电磁高速开关阀更好的动静态特性。针对传统悬臂梁结构压电双晶片输出力较小的缺点，该文研究了一种基于压电双晶片的气动高速开关阀，提出了一种简支梁结构固定方式。借助COMSOL对压电元件流固耦合问题进行分析，优化了阀的关键结构参数，并对样机进行了实验研究。实验结果表明，阀的工作频宽达到280 Hz，在压差0.3 MPa的条件下，最大流量为30.7 L/min。

为了解决流固耦合模态使水听器工作频带变窄的问题, 理论分析了流体对双膜片结构的分布反馈式光纤激光水听器固有频率的影响, 基于有限元软件对水听器加固封装前后在空气中和流体中的模态和频响性能进行仿真分析, 加工制作了水听器原型样品并开展了水声实验研究.实验结果表明, 在2 500～8 000 Hz的频率范围内, 未经加固封装的水听器由于在该频段内存在多个流固耦合固有频率造成响应曲线起伏较大, 而采取了加固措施封装后的水听器获得了-142.77±0.8 dB的平均声压灵敏度, 验证了流体对水听器频响性能的影响以及改善措施的有效性, 实验结果与理论及仿真结果吻合较好.

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。

由中北大学研制的微机电系统(MEMS)矢量水听器具有小型化、低频性能好、灵敏度高、指向性好、价格低等特点, 但目前该水听器对该低频水声信号的低频探测能力不够, 所以进一步提高其灵敏度对水听器的未来的发展至关重要。在声学研究的基础上, 提出了中性浮力微结构并确定其参数, 该结构加大了外力的有效作用面积, 从而提高水听器的灵敏度, 采用ANSYS有限元对水听器性能进行仿真, 为了验证其可靠性, 在驻波场测试水听器的性能。结果表明, 该水听器的灵敏度-175 dB, 频响范围为20~500 Hz, 满足对远距离船舶辐射噪声的探测要求, 灵敏度响应曲线的起伏在±1.5 dB以内, 具有良好的“8”字型指向性, 凹点深度为48.8 dB。

针对传统微泵结构复杂、制备困难等不足，提出了一种新型的基于激光冲击波力学效应的微泵驱动方法，使用该方法设计的微泵结构简单、易于制造、成本低，有利于微型化及与微机电系统（MEMS）集成。通过研究激光冲击波的力学模型，设计了无阀型微泵，并计算出其耦合模态。验证了该驱动方法的可行性；通过流固耦合仿真研究了激光的频率、占空比、功率密度、光斑直径等参数对微泵流量的影响，并进一步分析了流量的稳定性。研究结果表明，功率密度和光斑直径是影响流量的主要因素，占空比为0.6时微泵流量最大，微泵稳定工作后各脉冲流量相差不超过5%。