悬臂梁水听器可在谐振频段接收低频水声信号, 相比传统水听器, 其不仅能提升灵敏度, 还可获得更优越的探测性能, 在海洋工程领域具有广阔的应用前景。该文基于声学超材料设计了一种新的悬臂梁水听器, 研究了声学超材料的负等效原理及材料参数对谐振频率的影响, 获得了降低悬臂梁水听器谐振频率的方法。在此基础上分析了单纯铜梁、三层铜-橡胶梁、五层铜-橡胶梁的一阶固有频率, 并结合实际使用需求选用三层复合结构完成超材料悬臂梁水听器的设计。仿真分析结果表明, 在相同尺寸情况下, 该文设计的水听器比传统悬臂梁水听器具有更低的谐振频率。

针对宽带宽波束换能器实现问题, 该文在已有换能器结构基础上提出了一种同轴对置结构实现水平径向360°的宽波束覆盖的新方法。采用有限元法对比分析了已有结构和两种对置结构换能器的发送电压响应(TVR)和指向性。结果显示, 当障板尺寸为100 mm×7 mm, 换能器和障板的对置距离为4 mm。12~19 kHz时, 新结构水平径向波束宽度为360°, 水平径向TVR＞138 dB,换能器实现了径向高TVR和宽工作带宽。

该文对标ITC-1007与ITC-1032球形换能器, 为海底沉积声学测量系统研制了两款中低频球形换能器(SP32K和SP12K)。通过理论及有限元方法对换能器进行仿真设计, 制作换能器样机并对其进行了性能测试。低频球形换能器(SP12K)的谐振频率约为12 kHz, 工作频带为2~20 kHz, 最大发射电压响应为149 dB。中频球形换能器(SP32K)的谐振频率约为32 kHz, 工作频带为15~50 kHz, 最大发射电压响应为149 dB。实验结果表明, 研制的中低频球形换能器与国外同类产品相比, 性能基本一致, 满足相关声学测量需求, 这为研制中低频海底沉积声学原位测量系统等声学装备提供了有力支撑。

该文利用声学透镜使声波能量聚焦, 实现小尺寸换能器窄波束声辐射。利用有限元方法分别建立了单凹面声透镜及双凹面声透镜仿真模型, 优化了声透镜结构参数, 设计并制作了双凹面声透镜指向性换能器, 并在消声水池内对换能器样机和声透镜进行了性能测试。换能器样机辐射面积直径120 mm, 设置声透镜后, 提高发送电压响应级4 dB, 发射指向性-3 dB波束开角由76°变为约30°(@10 kHz), 与仿真计算结果相符。实验结果表明, 声透镜有效减小了换能器发射波束宽度, 提高了换能器主瓣发送电压响应, 验证了双凹面声透镜对优化换能器指向性的效果。

1-3型压电复合材料具有高机电耦合系数和低声阻抗, 适用于制作水声和医疗超声换能器, 但是1-3型压电复合材料的横向振动模会降低换能器的性能, 限制换能器的小型化和高频化。该文设计了一组具有矩形压电陶瓷柱的1-3型压电复合材料, 复合材料的厚度为0.32 mm, 陶瓷柱宽度为0.08 mm, 长度为0.10~0.25 mm, 刀缝宽度为0.05 mm。利用有限元软件PZFlex进行了建模计算, 仿真结果表明, 复合材料的厚度谐振频率和反谐振频率分别为4.5 MHz、6 MHz, 随着陶瓷柱长度的增大, 横向谐振频率逐渐向低频处移动, 当陶瓷柱长度和高度比值大于0.69时, 横向谐振和厚度谐振发生模式耦合。该文基于复合材料设计了换能器, 利用PiezoCAD软件计算得到换能器的中心频率为4.7 MHz。

该文设计了一种基于1-1-3型压电复合材料的直线型换能器阵列, 并采用有限元法分析了阵元的导纳特性。应用有限元法对比分析了基于1-1-3型和1-3型压电复合材料直线型换能器阵列的电导, 以及阵元位置对电导的影响。为进一步验证仿真结果, 该文设计了一种“一体成型”的换能器阵列制备工艺, 并制备了实验样品。实验结果表明, 1-1-3型直线型换能器阵列比1-3型直线型换能器接收灵敏度一致性稳定提高4 dB, 发射电压响应的一致性稳定在0.6 dB内, 有效地提高了高频换能器阵的阵元一致性。

该文分析了用于位移矢量水听器的电涡流传感器的工作原理, 对电涡流传感器的传感系数进行研究, 得到了电涡流探头线圈的各参数对传感系数的影响, 并通过实验对传感系数的计算模型进行了验证。对电涡流位移传感器的指向性分辨力进行研究。运用有限元软件对其进行仿真, 得到主轴方向上传感系数与主轴正交方向上传感系数之比, 该比值随着金属被测体半径的增大而增大, 且均大于20 dB, 满足矢量水听器指向性分辨力的要求。

水声通信系统使用传统的声压水听器接收信号, 无法获得水质点的振速信息。该文研制了直径为38 mm、高为46 mm的同振型矢量水听器, 可以同步共点地获取水质点的声压信息与振速信息, 解决水声通信系统对8~13 kHz的信号获取不全面问题。矢量水听器内部采用专门设计的一种共用惯性质量块的一体化三维加速度传感器, 空间3个轴向的灵敏度均大于328.0 pC/g(g=9.8 m/s2)。采用PZT-5压电陶瓷圆环作为矢量水听器的声压通道, 研制了具有x、y、z通道和声压p通道的矢量水听器样机, 并在水池中对矢量水听器样机进行测试。测试结果表明, 10 kHz处x、y、z通道的声压灵敏度级均大于-172 dB(0 dB参考值1 V/μPa), 且具有良好的余弦指向性; 声压通道灵敏度级达到-198 dB, 可以用于水声通信中8~13 kHz信号的获取。

该文研究了一种基于强度解调的低成本光纤悬臂式加速度计。该加速度计由接收光纤、发射光纤、陶瓷插芯和陶瓷套管组成, 接收光纤和发射光纤均为单模光纤(SMF)。对该加速度计的灵敏度进行理论分析并制作了一个光学加速度计, 搭建了实验系统。实验结果表明, 在工作频带30~1 000 Hz, 该加速度计具有71.5 mV/g(g=9.8 m/s2)的灵敏度和良好的相频特性。

声学多普勒流速剖面仪(ADCP)在海洋学中应用广泛, 是目前最主要的流速流量测量设备, 其关键部件是压电换能器, 用以发射和接收声学信号。该文结合ADCP仪器自身的发展, 梳理了ADCP压电换能器及其阵列的研究进展, 并对压电换能器及ADCP的校准方法进行简要概述。

针对水听器的温度稳定性问题, 该文研究了一种压电圆管水听器在环境温度变化时灵敏度的变化规律。通过圆管水听器在低频时自由场电压接收灵敏度计算公式, 分析了温度对水听器的主要影响因素, 并基于热力学理论分析计算了水听器灵敏度随温度的变化规律。实测了一种圆柱形压电陶瓷的电容随温度的变化, 以及该压电陶瓷在不同包覆材料下的电容和灵敏度随温度的变化情况, 并比较分析了其与理论值的差异。结果表明, 水听器灵敏度与温度负相关, 水听器电容与温度正相关, 与理论分析一致。理论值与实际测量值的差异主要是由水听器表面包覆材料本身热膨胀特性及其声阻抗的温度特性导致。

该文从数学上计算了不同阶声压梯度组合对空间声场的估计误差, 分析了差分通道幅度和相位不一致性对有限差分近似误差的影响, 研究了水听器自噪声及模数转换量化误差对高阶水听器工作频率下限的制约关系, 提出了一种由4片压电三迭片构成的高阶声压梯度水听器, 尺寸为100 mm×50 mm, 能够测量声场一阶声压梯度和二阶混合声压梯度。利用有限元法计算获得平面波自由声场中水听器各通道的输出电压。计算结果表明, 二阶混合声压梯度通道的输出电压响应每倍频程升高12 dB, 指向性与纵向四极子声源指向性一致。

该文介绍了一种由5×5个半径为200 μm圆形阵列组成, 应用于水听器的高性能压电微机电系统(MEMS)声波器件, 尺寸为3 mm×3 mm。采用钪掺杂(质量分数为20%)增强了AlN薄膜的压电系数, 并通过双电极结构配置及优化结构尺寸来增强声压作用下的电信号输出, 以实现压电MEMS声波器件具有更好的接收灵敏度。声波器件在空气中的接收灵敏度为-166.8 dB(Ref.1 V/μPa), 比相同结构基于AlN薄膜的声波器件约高2.6 dB。在50 Hz~3 kHz带宽范围内, 器件灵敏度曲线变化小于1.5 dB, 具有平坦的声学响应。结果表明, 基于Al0.8Sc0.2N薄膜的压电MEMS声波器件具有更高的接收灵敏度, 经水密封装制成的水听器可应用于管道泄漏探测及海洋噪声监测等工程中。

压电微机械超声换能器(PMUT)在医疗阵列成像、手势识别、内窥成像、指纹识别等领域有着重要的应用, 而灵敏度等性能是影响其成像质量的主要因素。该文对基于PMN-PT圆形压电复合振动膜的压电微机械超声换能器等效电路模型进行分析, 并通过有限元法研究了压电层PMN-PT厚度对PMUT的发射电压响应、接收灵敏度的影响。仿真结果表明, 当压电层厚度为4.5 μm(厚度为基底厚度的90%)时, 换能器的发射电压响应级最大, 达到191.6 dB, 接收灵敏度级随厚度的增加基本呈线性上升趋势; 当压电层厚度为5.1 μm(厚度为基底厚度的102%)时, 回路增益(损耗)最大, 达到-64.50 dB。

针对超声耦合无线电能传输系统研究的需要, 对水下超声耦合无线电能传输系统发射换能器进行选型, 确定换能器类型及工作频率。基于夹心式纵振压电换能器一维设计理论对发射换能器进行优化设计, 在深入分析圆锥形前盖板延展系数对换能器振速比和等效机电耦合系数影响的基础上, 选取的延展系数能同时兼顾换能器振速比和等效机电耦合系数均为较优值, 并据此进一步确定换能器全部结构尺寸。实际测试结果表明, 试制的发射换能器实际谐振频率为38.552 kHz, 等效机电耦合系数为0.149, 满足实际需要。

条带型接收换能器是随钻声波测井仪的关键器件, 其声学性能直接影响测量信号的质量。利用有限元法对条带型接收换能器进行设计分析。结果表明, 接收换能器中的压电片采用并联接线方式接收灵敏度较高, 在钻铤波隔声阻带内接收灵敏度起伏小于20 dB。在此基础上分析了压电片个数及几何尺寸对换能器接收灵敏度的影响。条带型接收换能器的压电片个数越多, 压电片厚度越大, 钻铤波隔声阻带范围内接收灵敏度越高, 有利于提高地层波信号测量; 压电片高度越大, 压电片宽度越小, 钻铤波通带范围内灵敏度越低, 有利于降低钻铤波信号能量。数值模拟结果对随钻声波测井仪条带型接收换能器的设计及制作有良好的指导作用。

高频声透镜聚焦超声换能器在电子器件评估与检测、材料微观机械性能表征、生物医学成像、细胞操控等方面具有重要的应用。结构参数是影响其性能的主要因素之一。该文通过有限元法对基于声透镜结构的高频聚焦超声换能器进行仿真模拟, 分析了声透镜的开孔角度对该类换能器聚焦区域声压模式、横向分辨率、-6 dB景深等关键性能参数的影响。仿真结果表明, 换能器的焦距和横向分辨率与理论计算结果接近。随着声透镜开孔角度的增大, 换能器的横向分辨力随之提高, 焦点处声压级逐渐增大, -6 dB景深逐渐下降。这为声透镜聚焦超声换能器的优化设计提供了一定的技术基础。

超声应力换能器指向性对超声应力检测精度具有重要影响。该文提出了半圆柱试块法, 被校换能器向半圆柱试块内部辐射声波, 接收换能器在试块圆柱面各角度接收到信号, 分析得到被校换能器的指向性。利用半圆柱试块法校准得到纵波换能器指向性, 其-3 dB波束宽度为5.01°, 这与水听器法测量值、理论值相对偏差分别为3.09%、2.66%。利用半圆柱试块法校准得到临界折射纵波换能器指向性, 其-3 dB波束宽度为10.55°, 这与仿真值相对偏差为2.23%。半圆柱试块法更符合超声应力的实际使用工况, 不受换能器水密性、换能器工作原理等限制, 适用于任意型号超声应力换能器, 且校准更高效、快捷。

水声换能器设计时需考虑结构尺寸及电声特性等因素限制, 快速找到最优设计方案对设计人员非常重要。该文介绍了一种水声换能器参数化优化的设计方法。首先利用ANSYS软件APDL参数化设计语言建立换能器参数化模型, 然后将换能器参数化模型导入ANSYS Workbench平台, 通过设置输入变量和输出变量给出优化约束条件和优化目标, 选择合适优化算法后程序自动进行优化计算, 并给出最优设计结果。结果表明, 该方法可在换能器参数范围内求解最优方案, 同时也能大幅提高设计人员的优化效率。

针对高温超声检测技术的应用需求, 该文研究了基于钪酸铋-钛酸铅(BS-PT)基高温压电陶瓷材料的高温超声换能器。利用PiezoCAD器件仿真软件设计并制作了一款1 MHz的高温压电超声换能器, 且在200 ℃下对该器件的电学和声学性能进行了测试和分析。结果表明, 随着测试温度的升高, 换能器的脉冲回波幅值虽略有降低, 但其中心频率、带宽变化不明显, 带宽仍保持在20%左右。该文设计并制备的BS-PT基高温压电超声换能器可以在200 ℃环境中正常稳定工作。

该文通过有限元仿真获得微机电系统(MEMS)声学传感器在Parylene-C封装前后的灵敏度变化, 并以集**数等效电路模型推导出器件的接收灵敏度与电压激励下薄膜振幅的转换系数Krt, 从而探究了Parylene-C封装对器件功能的影响。测试结果显示, 器件的接收灵敏度和振幅均值在封装后分別降至原有的42%和48%, 两者降幅相近, 这表明封装前后Krt不变, 因此, 通过测量谐振振幅可评估器件灵敏度的变化。采用此方法对同一批器件进行快速筛选, 可提高效率; 同时仿真得到封装后的灵敏度降至55%, 与振幅测试结果相近, 二者相互印证。

温度测量在航空航天、公共安全、智能制造及智能家居等方面具有重要意义。基于超声波原理的测温技术是近年来发展起来的一种新型温度测量方式, 超声波测温技术具有非接触式, 温度测量范围广, 响应速度快和测量准确度高等特点, 在航空发动机、微波干燥等领域表现出了良好性能。该文面向三维球体空间温度场测量的需求背景, 基于超声波飞行速度与介质温度相关原理, 采用收发同体式超声波换能器, 设计了针对二维圆形平面的8换能器结构和针对三维球体空间的26换能器结构, 提出了分时轮训超声波换能器接收控制策略, 建立了基于径向基函数的空间温度重构算法, 并基于Matlab平台对测温方法进行仿真。仿真结果表明, 对于构建的对角偏斜和中心对称二维圆形平面温度场模型, 以及中心对称三维球体温度场模型均具有良好的重建效果, 同时在超声飞行时间的测量中还叠加了标准差分别为0.02%、0.03%和0.05%的三类高斯白噪声, 进一步验证了该文提出的对射式超声波温度场测量方法具有较好的鲁棒性。

阵元间互辐射作用的存在会导致密排阵的性能变化, 如谐振频率漂移、辐射功率降低等, 对基阵整体性能产生不利影响。该文分析了八元平面阵的互辐射阻抗特性, 通过改变互辐射阻抗来提高阵的辐射功率, 并通过将互辐射作用引入指向性的算法, 修正了基阵的指向性算法。在此基础上, 用有限元软件仿真了基阵的指向性, 并制作样机进行了试验。结果表明, 工作频率越低, 阵元间距越小, 阵元间互辐射作用越强烈, 引入互辐射作用修正的基阵指向性更接近真实情况。

直接数字频率合成器(DDS)具有转换时间快, 频率精度高, 频带宽等特点, 作为现代电子设备的重要部分, 现已广泛应用于电子领域。该设计将现场可编程门阵列(FPGA)与DDS相结合, 采用自顶向下的模块化设计思想、反馈网络的流水线结构及频率自增设计, 以达到扫频效果, 并基于CORDIC算法实现相-幅转换, 以降低硬件资源消耗, 最终在Quartus Ⅱ开发环境中进行仿真测试。经CORDIC算法计算后输出的正弦波和余弦波幅值分别为32 768和56 758(16位十进制), 输出的正弦和余弦值与预期结果相比, 其相对误差仅为6.1×10-5和9.9×10-5。仿真结果表明, 该设计方案能有效地解决传统声表面波无线无源传感系统中DDS杂散分量大, 时延高及功耗高等问题。

该文基于金丝键合工艺和薄膜工艺, 实现了一种低插损、小型化毫米波调谐微带滤波器。首先提出了一种加载矩形孔的半波长开路可调谐振器, 通过在不同矩形孔上键合金丝来改变谐振器的等效电感值, 从而改变谐振频率。然后利用所提出的可调谐振器实现了一种Ka频段五阶调谐带通滤波器, 通过改变键合金丝状态来调谐频率, 实现仿真和实测结果之间的偏差修正, 解决了在毫米波频段由于介电常数批次性差异以及加工误差等因素造成的窄带滤波器频率偏移的问题。为了验证其可行性, 对五阶调谐微带滤波器进行仿真、优化、加工及测试。结果表明, 该滤波器的通带可调范围为35.35~35.95 GHz, 插入损耗小于4.6 dB, 能够实现所需通带。

该文采用泵浦光纤预拉方法得到一款泵浦耦合效率82%, 信号光通过率98%, 信号输入与泵浦输入隔离度33 dB, 泵浦光反向隔离度24 dB的高效熔锥型侧面泵浦耦合器。将该耦合器应用于自制的20 W脉冲激光器, 实现了峰值功率为7 kW的稳定激光输出。研究结果表明, 所研制的熔锥型光纤侧面泵浦耦合器在高功率光纤激光器和光纤放大器中具有很好的应用前景。

该文研究了化学机械抛光(CMP)条件下, 锗单晶在含HNO3的SiO2抛光液中的腐蚀过程。通过改变抛光时间, 分析锗单晶表面状态的变化规律。结果表明, 在SiO2抛光液pH值为1~2时, SiO2抛光液中存在 Si—OH和 Si—O-形式; 锗单晶先与HNO3反应生成Ge(NO3)4, 而后Ge4+的含氧酸盐会剧烈水解生成Ge—OH, Ge—OH 继续反应并以Ge—OH2+形式存在。由于表面电荷的吸引, Si—O-和Ge—OH2+在锗单晶表面生成Si—O—Ge软化层, 从动力学角度加快了腐蚀速率, 促进了表面抛光的程度。抛光时间为15~20 min时, 机械抛光和侵蚀的法向速度处于平衡状态, CMP抛光后锗单晶表面粗糙度Sa≤0.8 nm, 10倍显微镜下无划痕、麻点。

介绍了一种可满足第二代北斗客户端用B3波段载频滤波的声表面波(SAW)射频滤波器。该滤波器采用“5换能器纵向耦合结构＋谐振器”的混合型设计方案, 在充分考虑了SMD3030A封装及键合引线寄生影响后, 成功研制出-1 dB带宽35 MHz、插入损耗2.2 dB、矩形系数1.9的滤波器产品。结果表明, 仿真与实测吻合性较好, 证明了该设计方案的可行性。

基于磁电偶极子天线的Γ型耦合馈电结构, 该文设计了一款具有轴向辐射特性的轻薄超宽带双极化交叉偶极子天线。通过正交放置两个Γ型耦合馈电结构和两对环形电偶极子单元, 获得了双线极化特性。Γ型耦合馈电结构将同轴线内的电磁能量引导至距离金属反射平板上方λ/4(λ为波长)处的电偶极子, 实现了轴向辐射。经过加工和测试表明, 该天线的相对阻抗带宽为83.9%(1.35~3.30 GHz), 带宽内具有稳定的轴向辐射特性, 其轴向增益从7.9 dBi到8.6 dBi变化。结果表明,测试和仿真结果吻合良好, 证明了该设计的有效性。

利用压电振动能量收集技术具有的力-电耦合效应高, 无电磁干扰, 机构简单等特点, 该文提出了一种对称式自供电同步电荷提取电路(SSP-SECE), 使用互补三极管实现同步开关控制, 通过导向二极管与检测电容可实现峰值自检测。使用Multisim软件建模仿真测试了电路方案的合理性, 实验验证了电路的有效性。实验结果表明, 采用优化设计的SSP-SECE接口电路使负载电阻功率比标准能量采集电路高约4.23倍, 相对于SECE电路整体提升了23.02%。

为了俘获更大的能量, 提出了一种含槽变截面悬臂式压电俘能器。首先, 梁形式采用给定的指数函数进行变化, 并且在内部挖槽; 其次, 推导对应的振动方程, 参考相关文献确定振型表达式, 进而写出相应的特征方程,推导出电压和输出功率表达式, 并根据电压和输出功率确定最优指数。结果表明, 在保持梁长度不变的前提下, 锥形梁的弯曲程度系数越大, 则输出电压及功率越大, 但系统的特征频率也将变大。

半球谐振陀螺是一种新型振动陀螺仪, 在装备领域有着广泛的应用前景。制造误差、干扰源及工作环境的变化影响了半球谐振陀螺的快速启动性能。该文分析了半球谐振陀螺输出的影响因素, 讨论了谐振子品质因数(Q)值特性、装配、温度及信号干扰对快速启动性能的影响, 并针对敏感器制造和信号处理进行了优化改进。结果表明, 优化改进后的半球谐振陀螺可在通电3 min内达到稳定, 相比改进前的大于1 h有显著提升。

针对微机电系统(MEMS)陀螺仪易受影响且随机误差较大, 导致建立模型不准确和测量精度低的问题, 该文提出了一种改进的自适应卡尔曼滤波方法。首先建立ARMA模型, 在传统卡尔曼算法中引入衰减系数以减小系统旧值的影响, 同时引入基于系统新息突变的预测误差矩阵清除系统的突变值。使用Allan方差对原始陀螺仪数据和滤波后的陀螺仪数据进行分析对比。结果表明, 实验所用陀螺仪的角度随机游走、零偏不稳定性和角速率随机游走至少小了1个数量级, 标准差明显减小, 这表明改进算法有效抑制了随机噪声, 提高了MEMS的性能。