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压差式光纤矢量水听器基元与测试技术研究

吕文磊  
【摘要】: 随着世界各国反潜侦察和海洋开发的需要以及光纤传感相关技术的迅速发展,光纤水听器和矢量水听器以其优越的性能成为水听器设计的两大主要趋势,将光纤传感的高灵敏性、宽带宽、易于复用等优点和矢量水听器的包含水下声场信息量多等优点结合在一起,设计出光纤矢量水听器具有很重要的意义。光纤矢量水听器要结合光纤传感和矢量声场检测等多方面的内容,是光、声、机、电结合的复杂系统,所以在设计和研究中面临更多的难点,目前关于光纤矢量水听器的报道较少,都还处在实验室研究阶段。 本文以Michelson干涉仪为基础,通过顺变柱体的增敏作用和膜片的传导作用,设计了一种基于顺变柱体和膜片复合结构的压差式光纤矢量水听器传感基元,建立了传感基元的声压灵敏度理论分析模型,推导出传感基元的声压灵敏度计算公式,分析了压差式矢量水听器矢量形成的基本原理,并得出了其“8”字形指向性图。 本文讨论和分析了压差式光纤矢量水听器的设计参数,对各设计参数与其声压灵敏度的关系进行了仿真;分析了压差式光纤矢量水听器两单端灵敏度不一致性对其声压灵敏度和指向性的影响,对这种影响进行了仿真;根据设计参数的分析和实际可行性设计了3种不同的压差式矢量水听器,在国防水声一级计量站对其声压灵敏度和指向性进行了测试,测试结果验证了理论模型和仿真结果的正确性。 本文利用弹性力学理论建立了压差式光纤矢量水听器传感基元振动系统的动力学模型,推导出振动系统谐振频率的计算公式,分析了顺变柱体的弹性模量和机械尺寸等参量对于光纤矢量水听器谐振频率的影响,对这种影响进行了分析和仿真;论文设计了两种不同的光纤矢量水听器传感基元,对它们的动态频率响应分别进行了测试,测试结果验证了动力学模型的正确性。 本文分析了振动液柱法校准压差式矢量水听器的特点,在理论上分析了压差式矢量水听器传感基元两单端声压灵敏度不一致性对振动液柱法校准其声压灵敏度的影响,得出了校准计算公式,在计算机上对这种影响做了仿真,并在实验中验证了理论分析与仿真结果。


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