水中矢量传感器的性能研究与实现
发布时间：2022-08-02 19:56
通过声波检测水下目标时,传统的标量声压传感器只能获得声场中的标量参数“声压”,而声矢量传感器可以测量到声场中的矢量参数“质点振速”。相比声压传感器,单个声矢量传感器即可实现目标方向的检测,并具有抑制各向同性噪声、组成阵列时体积更小等优势。近些年,随着水面舰船和潜艇等的静音化程度越来越高,以及测量平台（如自主式水下航行器、声纳浮标、拖曳线阵等）的小型化、多样化发展趋势,对水中声矢量传感器提出了测量微弱声信号、适配小体积测量平台和改善配套悬挂系统安全性的需求。本文通过对水中声矢量传感器的内置加速度传感单元进行结构设计和性能研究,达到了提高声矢量传感器灵敏度、减小体积的目的;并设计了一体式悬挂系统,该系统相比传统的离散式悬挂系统安全性更高。论文的主要研究内容与成果:1.声矢量传感器提高灵敏度的研究。通过悬臂梁结构压电加速度传感单元的灵敏度研究与结构设计,提高传感单元的灵敏度,由于声矢量传感器的灵敏度和其内置加速度传感单元的灵敏度成正比,从而提高声矢量传感器的灵敏度。建立了悬臂梁结构压电加速度传感单元的数学模型（用欧拉-伯努利梁的弯曲公式结合压电方程、机电类比和有限元仿真三种方法）,研究了几何...
【文章页数】：217 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 水中声矢量传感器的类型和特性
1.2.1 水中声矢量传感器的类型
1.2.2 不同类型声矢量传感器的特性
1.3 水中声矢量传感器的发展
1.3.1 国外水中声矢量传感器的发展概况
1.3.2 国内水中声矢量传感器的发展概况
1.3.3 水中声矢量传感器发展现状分析
1.4 本文研究对象、内容和思路
1.4.1 研究对象
1.4.2 研究内容
1.4.3 研究思路
1.5 论文结构
第二章 悬臂梁结构压电加速度传感单元的灵敏度研究与结构设计
2.1 引言
2.2 悬臂梁结构压电加速度传感单元数学模型的建立
2.2.1 悬臂梁结构压电加速度传感单元的工作原理
2.2.2 基于欧拉-伯努利梁和压电方程的模型
2.2.3 机电类比模型
2.2.4 有限元模型
2.3 悬臂梁结构压电加速度传感单元的性能分析
2.3.1 各参数对单轴悬臂梁加速度传感单元性能的影响
2.3.2 固定端刚度对加速度传感单元性能指标的影响
2.3.3 组合式悬臂梁三维压电加速度传感单元质心位置的分析
2.4 端质量对加速度传感单元和水中声矢量传感器性能影响的分析
2.4.1 端质量对单轴悬臂梁加速度传感单元性能影响的解析分析
2.4.2 端质量对单轴悬臂梁加速度传感单元性能影响的有限元分析
2.4.3 端质量对三维加速度传感单元和声矢量传感器性能影响分析
2.5 悬臂梁结构压电加速度传感单元的样品制作和性能测试
2.5.1 悬臂梁结构压电加速度传感单元样品的制作
2.5.2 悬臂梁结构压电加速度传感单元主要性能指标的测试
2.6 本章小结
第三章 圆盘结构一体式三维压电加速度传感单元的研究与设计
3.1 引言
3.2 圆盘结构压电加速度传感单元的测量原理和模型建立
3.2.1 圆盘结构压电加速度传感单元的测量原理
3.2.2 圆盘结构压电加速度传感单元有限元模型
3.3 对加速度载荷幅值和方向测量的分析
3.3.1 XY平面和XZ平面内加速度矢量的正交分解
3.3.2 空间内任意方向加速度矢量的正交分解
3.3.3 根据圆盘加速度传感单元输出电压推算空间内加速度矢量
3.4 圆盘结构压电加速度传感单元基于有限元的性能分析
3.4.1 各参数对圆盘加速度传感单元性能的影响
3.4.2 固定端对圆盘加速度传感单元性能指标的影响
3.4.3 悬臂梁结构和圆盘结构加速度传感单元的性能对比分析
3.5 圆盘结构压电加速度传感单元样品的制作和性能测试
3.5.1 圆盘加速度传感单元样品的制作
3.5.2 圆盘加速度传感单元样品主要性能指标的测试
3.6 本章小结
第四章 水中声矢量传感器的性能分析和设计
4.1 引言
4.2 同振式水中声矢量传感器基于解析法的性能分析
4.2.1 同振式声矢量传感器的拾振原理
4.2.2 同振式声矢量传感器的典型悬挂系统
4.2.3 同振式声矢量传感器中内置的压电式声压传感单元
4.3 同振式水中声矢量传感器基于有限元法的性能分析
4.3.1 球形声矢量传感器基于有限元的拾振分析
4.3.2 带球帽的圆柱形声矢量传感器基于有限元的拾振分析
4.3.3 声矢量传感器基于有限元的悬挂系统分析
4.3.4 声矢量传感器内置压电声压传感单元基于有限元的分析
4.4 同振式水中声矢量传感器性能的有限元与实验综合分析
4.4.1 水中声矢量传感器样品的设计
4.4.2 水中声矢量传感器样品的制作
4.4.3 水中声矢量传感器样品的测试和结果分析
4.5 同振式水中声矢量传感器的设计
4.5.1 内置悬臂梁结构压电加速度传感单元的声矢量传感器的设计
4.5.2 内置圆盘结构压电加速度传感单元的声矢量传感器的设计
4.6 本章小结
第五章 具有一体式悬挂系统的水中声矢量传感器的分析与设计
5.1 引言
5.2 具有一体式悬挂系统的水中声矢量传感器的原理和结构
5.2.1 现有水中声矢量传感器悬挂系统的工作原理简析
5.2.2 具有一体式悬挂系统的水中声矢量传感器的测量原理
5.2.3 具有一体式悬挂系统的水中声矢量传感器的基本结构
5.3 具有一体式悬挂系统的水中声矢量传感器的建模和性能分析
5.3.1 具有一体式悬挂系统的声矢量传感器有限元模型的建立
5.3.2 各参数对具有一体式悬挂系统的声矢量传感器性能的影响
5.4 具有圆盘结构一体式悬挂系统水中声矢量传感器的设计
5.5 本章小结
第六章 总结和展望
6.1 全文总结
6.2 展望
参考文献
致谢
作者攻读学位期间发表的学术论文目录
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于双圆柱增敏结构的热丝式MEMS矢量水听器研制[J]. 张虹,郭世旭,王月兵,赵鹏,武珺. 仪表技术与传感器. 2018(12)
[2]谐振式高灵敏度矢量水听器设计[J]. 李起栋,李金平,陈丽洁,张鹏,赵异凡,魏鸿雁. 传感器与微系统. 2018(06)
[3]MEMS压电水听器和矢量水听器研究进展[J]. 李俊红,马军,魏建辉,任伟. 应用声学. 2018(01)
[4]ZnO薄膜硅微压电矢量水听器[J]. 李俊红,魏建辉,马军,任伟,刘梦伟,汪承灏. 声学学报. 2016(03)
[5]中频同振柱型矢量水听器及其支撑结构设计[J]. 刘爽,蓝宇,李琪. 声学技术. 2016(01)
[6]基于MEMS电容加速度计的声矢量传感器小型化设计[J]. 周宏坤,洪连进. 中国惯性技术学报. 2015(02)
[7]基于光纤碟型加速度传感单元的三维柱形矢量水听器[J]. 金梦群,张自丽,吴国军,葛辉良. 中国激光. 2015(03)
[8]一种自主定向磁复合三维MEMS矢量水听器[J]. 李金平,史鑫,王晔,孙立凯,张鹏. 中国电子科学研究院学报. 2014(06)
[9]可刚性固定的同振圆柱型矢量水听器的设计[J]. 刘爽,李琪,贾志富,刘勇. 哈尔滨工程大学学报. 2014(12)
[10]弛豫铁电单晶弯曲梁矢量水听器研究[J]. 尹义龙,李俊宝,邢建新,吕可佳. 声学学报. 2014(02)
博士论文
[1]新型矢量水听器研究[D]. 刘爽.哈尔滨工程大学 2016
[2]航空声纳浮标用矢量水听器及其悬挂技术研究[D]. 周宏坤.哈尔滨工程大学 2016
[3]纤毛式MEMS矢量水听器研究[D]. 张国军.西北工业大学 2015
[4]光纤矢量水听器海底地层结构高分辨率探测关键技术研究[D]. 饶伟.国防科学技术大学 2012
[5]拖线阵用光纤矢量水听器关键技术研究[D]. 吴艳群.国防科学技术大学 2011
[6]矢量水听器及其在平台上的应用研究[D]. 时胜国.哈尔滨工程大学 2007
[7]微型矢量水听器研究[D]. 陈丽洁.哈尔滨工程大学 2006
硕士论文
[1]新型结构三维矢量水听器的研究[D]. 任一石.哈尔滨工程大学 2013
[2]拖曳阵矢量阵元的研究[D]. 孙芹东.哈尔滨工程大学 2013
[3]1-3型压电复合材料矢量水听器[D]. 王威.哈尔滨工程大学 2013
[4]基于三迭片式加速度计的二维矢量水听器研究[D]. 陶新洲.哈尔滨工程大学 2010
[5]三维压电矢量水听器小型化的研究[D]. 武甜甜.哈尔滨工程大学 2009
[6]小型二维矢量水听器的研制[D]. 陈婕.哈尔滨工程大学 2009
[7]基于光纤加速度计的矢量水听器研究[D]. 胡曦文.国防科学技术大学 2007
[8]基于MEMS的矢量水听器的研究[D]. 孙淑珍.哈尔滨工程大学 2006
本文编号：3669148
【文章页数】：217 页
【学位级别】：博士
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论
1.1 引言
1.2 水中声矢量传感器的类型和特性
1.2.1 水中声矢量传感器的类型
1.2.2 不同类型声矢量传感器的特性
1.3 水中声矢量传感器的发展
1.3.1 国外水中声矢量传感器的发展概况
1.3.2 国内水中声矢量传感器的发展概况
1.3.3 水中声矢量传感器发展现状分析
1.4 本文研究对象、内容和思路
1.4.1 研究对象
1.4.2 研究内容
1.4.3 研究思路
1.5 论文结构
第二章 悬臂梁结构压电加速度传感单元的灵敏度研究与结构设计
2.1 引言
2.2 悬臂梁结构压电加速度传感单元数学模型的建立
2.2.1 悬臂梁结构压电加速度传感单元的工作原理
2.2.2 基于欧拉-伯努利梁和压电方程的模型
2.2.3 机电类比模型
2.2.4 有限元模型
2.3 悬臂梁结构压电加速度传感单元的性能分析
2.3.1 各参数对单轴悬臂梁加速度传感单元性能的影响
2.3.2 固定端刚度对加速度传感单元性能指标的影响
2.3.3 组合式悬臂梁三维压电加速度传感单元质心位置的分析
2.4 端质量对加速度传感单元和水中声矢量传感器性能影响的分析
2.4.1 端质量对单轴悬臂梁加速度传感单元性能影响的解析分析
2.4.2 端质量对单轴悬臂梁加速度传感单元性能影响的有限元分析
2.4.3 端质量对三维加速度传感单元和声矢量传感器性能影响分析
2.5 悬臂梁结构压电加速度传感单元的样品制作和性能测试
2.5.1 悬臂梁结构压电加速度传感单元样品的制作
2.5.2 悬臂梁结构压电加速度传感单元主要性能指标的测试
2.6 本章小结
第三章 圆盘结构一体式三维压电加速度传感单元的研究与设计
3.1 引言
3.2 圆盘结构压电加速度传感单元的测量原理和模型建立
3.2.1 圆盘结构压电加速度传感单元的测量原理
3.2.2 圆盘结构压电加速度传感单元有限元模型
3.3 对加速度载荷幅值和方向测量的分析
3.3.1 XY平面和XZ平面内加速度矢量的正交分解
3.3.2 空间内任意方向加速度矢量的正交分解
3.3.3 根据圆盘加速度传感单元输出电压推算空间内加速度矢量
3.4 圆盘结构压电加速度传感单元基于有限元的性能分析
3.4.1 各参数对圆盘加速度传感单元性能的影响
3.4.2 固定端对圆盘加速度传感单元性能指标的影响
3.4.3 悬臂梁结构和圆盘结构加速度传感单元的性能对比分析
3.5 圆盘结构压电加速度传感单元样品的制作和性能测试
3.5.1 圆盘加速度传感单元样品的制作
3.5.2 圆盘加速度传感单元样品主要性能指标的测试
3.6 本章小结
第四章 水中声矢量传感器的性能分析和设计
4.1 引言
4.2 同振式水中声矢量传感器基于解析法的性能分析
4.2.1 同振式声矢量传感器的拾振原理
4.2.2 同振式声矢量传感器的典型悬挂系统
4.2.3 同振式声矢量传感器中内置的压电式声压传感单元
4.3 同振式水中声矢量传感器基于有限元法的性能分析
4.3.1 球形声矢量传感器基于有限元的拾振分析
4.3.2 带球帽的圆柱形声矢量传感器基于有限元的拾振分析
4.3.3 声矢量传感器基于有限元的悬挂系统分析
4.3.4 声矢量传感器内置压电声压传感单元基于有限元的分析
4.4 同振式水中声矢量传感器性能的有限元与实验综合分析
4.4.1 水中声矢量传感器样品的设计
4.4.2 水中声矢量传感器样品的制作
4.4.3 水中声矢量传感器样品的测试和结果分析
4.5 同振式水中声矢量传感器的设计
4.5.1 内置悬臂梁结构压电加速度传感单元的声矢量传感器的设计
4.5.2 内置圆盘结构压电加速度传感单元的声矢量传感器的设计
4.6 本章小结
第五章 具有一体式悬挂系统的水中声矢量传感器的分析与设计
5.1 引言
5.2 具有一体式悬挂系统的水中声矢量传感器的原理和结构
5.2.1 现有水中声矢量传感器悬挂系统的工作原理简析
5.2.2 具有一体式悬挂系统的水中声矢量传感器的测量原理
5.2.3 具有一体式悬挂系统的水中声矢量传感器的基本结构
5.3 具有一体式悬挂系统的水中声矢量传感器的建模和性能分析
5.3.1 具有一体式悬挂系统的声矢量传感器有限元模型的建立
5.3.2 各参数对具有一体式悬挂系统的声矢量传感器性能的影响
5.4 具有圆盘结构一体式悬挂系统水中声矢量传感器的设计
5.5 本章小结
第六章 总结和展望
6.1 全文总结
6.2 展望
参考文献
致谢
作者攻读学位期间发表的学术论文目录
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于双圆柱增敏结构的热丝式MEMS矢量水听器研制[J]. 张虹,郭世旭,王月兵,赵鹏,武珺. 仪表技术与传感器. 2018(12)
[2]谐振式高灵敏度矢量水听器设计[J]. 李起栋,李金平,陈丽洁,张鹏,赵异凡,魏鸿雁. 传感器与微系统. 2018(06)
[3]MEMS压电水听器和矢量水听器研究进展[J]. 李俊红,马军,魏建辉,任伟. 应用声学. 2018(01)
[4]ZnO薄膜硅微压电矢量水听器[J]. 李俊红,魏建辉,马军,任伟,刘梦伟,汪承灏. 声学学报. 2016(03)
[5]中频同振柱型矢量水听器及其支撑结构设计[J]. 刘爽,蓝宇,李琪. 声学技术. 2016(01)
[6]基于MEMS电容加速度计的声矢量传感器小型化设计[J]. 周宏坤,洪连进. 中国惯性技术学报. 2015(02)
[7]基于光纤碟型加速度传感单元的三维柱形矢量水听器[J]. 金梦群,张自丽,吴国军,葛辉良. 中国激光. 2015(03)
[8]一种自主定向磁复合三维MEMS矢量水听器[J]. 李金平,史鑫,王晔,孙立凯,张鹏. 中国电子科学研究院学报. 2014(06)
[9]可刚性固定的同振圆柱型矢量水听器的设计[J]. 刘爽,李琪,贾志富,刘勇. 哈尔滨工程大学学报. 2014(12)
[10]弛豫铁电单晶弯曲梁矢量水听器研究[J]. 尹义龙,李俊宝,邢建新,吕可佳. 声学学报. 2014(02)
博士论文
[1]新型矢量水听器研究[D]. 刘爽.哈尔滨工程大学 2016
[2]航空声纳浮标用矢量水听器及其悬挂技术研究[D]. 周宏坤.哈尔滨工程大学 2016
[3]纤毛式MEMS矢量水听器研究[D]. 张国军.西北工业大学 2015
[4]光纤矢量水听器海底地层结构高分辨率探测关键技术研究[D]. 饶伟.国防科学技术大学 2012
[5]拖线阵用光纤矢量水听器关键技术研究[D]. 吴艳群.国防科学技术大学 2011
[6]矢量水听器及其在平台上的应用研究[D]. 时胜国.哈尔滨工程大学 2007
[7]微型矢量水听器研究[D]. 陈丽洁.哈尔滨工程大学 2006
硕士论文
[1]新型结构三维矢量水听器的研究[D]. 任一石.哈尔滨工程大学 2013
[2]拖曳阵矢量阵元的研究[D]. 孙芹东.哈尔滨工程大学 2013
[3]1-3型压电复合材料矢量水听器[D]. 王威.哈尔滨工程大学 2013
[4]基于三迭片式加速度计的二维矢量水听器研究[D]. 陶新洲.哈尔滨工程大学 2010
[5]三维压电矢量水听器小型化的研究[D]. 武甜甜.哈尔滨工程大学 2009
[6]小型二维矢量水听器的研制[D]. 陈婕.哈尔滨工程大学 2009
[7]基于光纤加速度计的矢量水听器研究[D]. 胡曦文.国防科学技术大学 2007
[8]基于MEMS的矢量水听器的研究[D]. 孙淑珍.哈尔滨工程大学 2006
本文编号：3669148
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