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图 8b 是一种可固定安装的同振柱型矢量水听器,其基本原理没有改变,结构上用安装杆代替了悬挂框架,将悬挂弹簧改成橡胶弹簧。这种结构应用场景可拓展到平台载体上固定安装。
随着微机电加工技术(MEMS)的发展,MEMS 技术已应用于矢量水听器设计研制当中,MEMS技术可以将敏感单元、控制电路、低噪声匹配电路、采样预处理模块等微电子元件集成为一体,将声信号转换为电信号。一种典型工作模式是以微加速度传感器作为敏感元件(图 8c),利用单晶硅的压阻效应原理设计敏感芯片,研制了3 维同振柱型复合 MEMS 矢量水听器。另一种工作模式是基于仿生学原理,仿效鱼的侧线机械传感细胞感知水运动的原理,设计了 MEMS 压阻式矢量水听器(图 8d)。
光纤水听器是光纤传感技术在水声领域的成功应用之一,显示出高灵敏度、低噪声、大动态范围、抗干扰等技术特点,近年来在矢量水听器方面也得到拓展应用,研究人员设计研制出了光纤矢量水听器。图 8e 是一种 3 维柱型光纤矢量水听器,基于 Bragg 光栅设计了加速度传感单元和声压传感单元,研制出声压-振速矢量水听器。图8f 是一种 3 维球型光纤矢量水听器,基于全保偏光纤干涉系统,研制出 3 维正交芯轴式干涉型光纤矢量水听器,结构紧凑且声中心重合于一点。
浅议我国水声换能器的发展现状与技术差距
本文第 1 节介绍了我国在低频换能器、高频宽带换能器、深水换能器以及矢量水听器等方面的研究进展,搜集的资料虽未能详尽,但也具有相当的典型性和代表性,基本上描绘出了我国水声换能器发展的前沿轮廓。与国际上不同时期换能器方面的标志性创新工作相比,我国相当一部分的创新设计工作要晚于国际前沿技术水平几年甚至十几年。
上文已经提到,我国水声换能器发展的最大动力来自水声技术领域的应用需求。在我国经济实力和科技力量相对薄弱的时期,这种发展方式是最具实效性的,但经历很长时期后就会有明显的历史痕迹,造成学科布局不系统、产品系列不完整、理论基础不扎实、专门工艺不完善、配套专业支撑不持续、人才队伍不稳定的局面。
例如,在深水换能器技术方面,一些海洋大国在 20 世纪就已经有很多成熟技术和系列产品,某些民用深海声学设备还可以出口到我国,但我国直至 20 世纪末深海声呐技术需求仍然不强,导致深水换能器技术在当时几乎处于空白状态。近些年国家加大了投入力度,重视基础理论与基础核心器件的研究工作,水声换能器领域研究新成就不断涌现、技术能力逐年提升、技术进步显著。前文所列研究工作中就有一些研究成果与国际前沿水平相同步,但整体同步、全面并行的发展势头还远未形成,尤其是历史上短缺和发展薄弱的换能器技术方向,新技术成果也仅是凤毛麟角、产品性能仍然很弱。