基于微机械加速度计的振速水听器的设计与分析

　　在水声领域普遍使用的是声压水听器,通过压电、磁致伸缩等效应实现声压信号到电信号的转换.事实上,声压、质点振速和声强这三个物理量都可以用来描述水中声场的强弱.常规声压水听器测量的是一点的声压,即由声波引起的介质压强逾量,是一种标量传感器.与之相对,振速水听器测量的是声场中液体质点振速,是一种矢量传感器.振速水听器最有意义的特点是它的指向性函数为cosH,而且这个特点在一定频率范围内与频率无关,特别在低频范围内,可以用小的尺寸获得和常规直线阵相同的增益[1].如果能将振速水听器与声压水听器在结构上复合起来,就可以构成所谓矢量水听器,能共点同步的测量声压标量和质点振速矢量,由此得到的幅度和相位信息可以有效的改善声纳的监测和估计性能[2].常规振速水听器基于压电加速度计,随着微细加工技术的发展,据美国国防报告,采用差动电容MEMS加速度计构成振速水听器,将大大减小振速水听器的体积,提高其灵敏度,降低其低频噪声水平[3].本文对基于MEMS加速度计的振速水听器构成原理及结构进行说明,并对其所用的加速度计进

　　1 同振球型振速水听器的工作原理

　　对于平面声波来说,同一点的声压p和质点振速v是同相的,两者之比为介质的特性阻抗,即:

　　由此可以看出,在相同声压平面波作用下,媒质的特性阻抗越大,对应的质点振速越小,易知此时水中的质点振速约为空气中的1/3566,因而振速水听器需要解决的关键问题是如何在水介质中对微弱的质点振动速度进行精确测量.据理论推导[4],无约束刚性球体在水中平面声波作用下作自由运动时,如果忽略流体的粘性,其振动速度Vs与平面波场中没有该球体时球心处水质点的振动速度V0之间的关系可以表示为:

　　其中, ms为球体的质量, m0为球体排开水的质量.当α0= ka<<1(k是波数, a是刚性球体的半径)时:

　　式中为刚性球体的平均密度,ρ0为水介质密度.当=ρ0时,刚性球体的振动速度近似等于水质点的振动速度(振幅相等,相位差趋于零).基于这一理论基础,实际应用中,振速水听器通常为基于惯性传感器的同振式传感器[5],最常见的为同振球型振速水听器[6],其结构如图1所示.工作时,整个振速水听器通过弹性元件悬置于大质量的框架上,敏感元件(惯性传感器)置于球壳的内部,与球壳之间采用刚性连接,振速水听器的几何中心与其重心重合,中性悬浮.在声波的作用下,球体作微幅振动,球体内的位移、速度或加速度敏感元件会将这种运动转换成电信号输出.通过这一测量装置,就可以将对水介质质点振速的测量转化为对刚性球体振速的测量.需要说明的是,有约束条件下球壳的振动状态将有别于公式(1)推导中无约束自由振动的情形.此时振速水听器与外部弹性连接构成振动系统,可以绘制振动系统的等效线路图(图2)并计算其输出响应[7]: