CN115855232A - 一种鱼鳔仿生水陆两用型光纤海洋声学传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种鱼鳔仿生水陆两用型光纤海洋声学传感器，属于光纤海洋传感器领域，该传感器由感声膜片，膜片支撑外壳，一段镀膜光纤，单孔玻璃毛细管及单模光纤组成。支撑外壳上表面有两个对称的溢流孔，结构内包含一个与溢流孔联通的背腔。利用联通孔充气放气可便捷地更换背腔内介质以达到和工作环境良好的阻抗匹配，不仅可充水充当光纤水听器；也充气充当光纤麦克风，工作状态可以灵活切换，达到类似鱼鳔的工作模式，以实现水陆两用。本发明灵敏度高，体积小，工作状态可灵活切换，打破了传统光纤传感器工作环境单一的限制，可实现跨介质信息传输，有望在水下声探测，水下通信，空气声测量以及跨介质通信领域进行实际应用。

Description

一种鱼鳔仿生水陆两用型光纤海洋声学传感器

技术领域

本发明属于光纤海洋传感器领域，特别是涉及一种鱼鳔仿生水陆两用型光纤海洋声学传感器。

背景技术

海洋观测技术作为海洋科学与技术发展的重要支撑之一，在开发海洋资源、保护海洋环境、预防海洋灾害、加强海域安全等方面具有极其重要的作用。作为海洋观测技术中最重要的一部分，海洋传感器的迅速发展将极力推动海洋观测技术的革命性变革。近年来，海洋观测逐渐从浅海到深海；从单一变量过渡到多变量；从单点过渡到组网。由于光纤声学传感器灵敏度高、动态范围大、抗电磁干扰能力强、结构设计灵活、适宜远距离、大范围观测且便于排布成阵又可实现多参数同时测量，因此近年来已经成为声学探测及海洋探测技术中重要的研究方向之一。

光纤传感器在很多关键领域同样发挥了重要作用，比如医疗保健、地震监测、结构无损检测、油气勘探和水下检测与通信中的超声波检测。在众多光纤传感器中，法珀腔（FP）型光纤声传感器因其灵敏度高、结构简单、可调腔长范围宽以及最可能进行小型化结构设计而备受关注。目前对FP光纤声学传感器的研究主要集中于光纤麦克风和光纤水听器。

FP型光纤麦克风主要用于陆地上的声信号探测，该光纤麦克风中存在一个充满空气的腔，若直接用于水下会导致FP声敏薄膜的变形甚至破损，严重影响了传感器的工作状态。因此，目前光纤麦克风的工作环境仅限于空气介质中，不能直接用于水下进行使用。在另一方面，对于FP型光纤水听器来说，封闭的F-P腔结构会受到水下工作深度变化产生不同静压的影响，这将使光纤水听器的F-P腔产生静压形变从而使其光学特性发生剧烈改变，这会导致F-P光纤水听器无法在水中稳定工作。值得注意的是，目前的FP型光纤麦克风和光纤水听器的工作环境单一，均限制于空气或水下，无法实现水陆两用的功能。因此，开发一种能够灵活切换工作状态，可以实现水陆两用的多功能光纤声学传感器是很有必要的，可以显著降低传感器使用成本，且具备水—空跨界使用的优点。

发明内容

有鉴于此，本发明旨在提出一种鱼鳔仿生水陆两用型光纤海洋声学传感器，通过传感器腔内充气或充水能够灵活切换不同工作状态，实现可同时在水中和陆地两用的高性能、低成本光纤声学传感器。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种鱼鳔仿生水陆两用型光纤海洋声学传感器，主要由多个溢流孔、背腔、膜片支撑外壳、单孔光纤套管、镀膜光纤和单模光纤组成，所述膜片支撑外壳顶部设置有凹槽，所述凹槽与膜片外框配合，所述膜片外框上设置有感声膜片，所述背腔位于膜片支撑外壳内，所述膜片支撑外壳顶部位于凹槽的外侧设置有溢流孔，多个溢流孔与背腔相连，所述膜片支撑外壳底部安装有单孔光纤套管，所述镀膜光纤的头部穿过单孔光纤套管伸入背腔内部，镀膜光纤的尾端与单模光纤连接。

更进一步的，所述感声膜片为大小0.5mm×0.5mm-1mm×1mm，厚度200nm-500nm的正方形，所述膜片外框为5mm×5mm厚度200μm的正方形。

更进一步的，所述膜片支撑外壳整体直径为8-12mm，高5-10mm，顶端凹槽尺寸为5.1mm×5.1mm×0.2mm。

更进一步的，所述溢流孔个数为1-4个，溢流孔直径为0.2-1mm，孔长为0.5-10mm，背腔的体积为20-400mm3。

更进一步的，该传感器的工作频率为500Hz-4kHz；感声膜片为0.5mm×0.5mm且厚度200nm的正方形，膜片外框为5mm×5mm且厚度200μm的正方形；膜片支撑外壳整体直径为10mm，高5.5mm，顶端凹槽尺寸为5.1mm×5.1mm×0.2mm；溢流孔直径为0.5mm，孔长为1mm，膜片支撑外壳的内部体积为85mm3。

更进一步的，该传感器的工作频率为800Hz-10kHz；感声膜片为0.5mm×0.5mm，厚度230nm的正方形，膜片外框为5mm×5mm厚度200μm的正方形；膜片支撑外壳整体直径为10mm，高5.5mm，顶端凹槽尺寸为5.1mm×5.1mm×0.2mm；溢流孔直径为0.8mm，孔长为0.1mm，膜片支撑外壳的内部体积为85mm3。

更进一步的，该传感器的工作频率为1kHz-20kHz；感声膜片为0.5mm×0.5mm，厚度200nm的正方形，膜片外框为5mm×5mm厚度200μm的正方形；膜片支撑外壳整体直径为10mm，高5.5mm，顶端为5.1mm×5.1mm×0.2mm的凹槽；溢流孔直径为1mm，孔长为1mm，膜片支撑外壳内部体积为435mm3。

更进一步的，该传感器的工作频率为2kHz-30kHz；感声膜片为0.5mm×0.5mm，厚度500nm的正方形，膜片外框为5mm×5mm厚度200μm的正方形；膜片支撑外壳整体直径为10mm，高5.5mm，顶端为5.1mm×5.1mm×0.2mm的凹槽；溢流孔直径为0.5mm，孔长为1mm，膜片支撑外壳内部体积为85mm3。

更进一步的，所述感声膜片的材质为低应力的氮化硅，所述膜片外框的材质为硅。

更进一步的，所述膜片支撑外壳的材质为硬质塑料或陶瓷。

与现有技术相比，本发明所述的一种鱼鳔仿生水陆两用型光纤海洋声学传感器的有益效果是：

（1）本发明提出的光纤声学海洋传感器，通过溢流孔充气、放气和充水可以方便地更换背腔中介质，以达到和外部环境良好的阻抗匹配；充气作为光纤麦克风，放气和充水作为光纤水听器，从而进行工作状态可以的灵活切换。突破了现有FP型光纤麦克风和光纤水听器工作环境单一的限制，最终达到水陆两用的目的及类鱼鳔工作原理。

（2）本发明提出的光纤声学海洋传感器，通过改变溢流孔大小、孔长、结构内背腔体积及膜片规格可以调整传感器声学响应曲线共振峰位置，对于实际需要具备一定的灵活设计性。

（3）本发明提出的光纤声学海洋传感器具有灵敏度高，自噪声低，体积小，成本低，耐压性好，光学性能稳定，便于批量生产且可实现跨介质声探测和声通信，有望在水下声探测，水下通信，空气声测量以及跨介质声学探测与通信领域进行实际应用。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明所述的一种鱼鳔仿生水陆两用型光纤声学海洋传感器设计思路示意图，主要为该传感器通过充气、放气和充水实现工作状态切换示意图。

图2为本发明所述的一种鱼鳔仿生水陆两用型光纤声学海洋传感器的组成结构示意图。

图3为本发明所述的一种鱼鳔仿生水陆两用型光纤声学海洋传感器的主视图。

图4为本发明所述的一种鱼鳔仿生水陆两用型光纤声学海洋传感器的俯视图。

图5为本发明所述的一种鱼鳔仿生水陆两用型光纤声学海洋传感器的集总参数等效电路模型示意图。

图6为本发明所述的一种鱼鳔仿生水陆两用型光纤声学海洋传感器水下测试的数据图，其中（a）为水下测试装置示意图，（b）为水下测试光纤水听器时的灵敏度曲线。

图7为本发明所述的一种鱼鳔仿生水陆两用型光纤声学海洋传感器空气环境中的数据图，其中（a）为在空气环境中的测试装置示意图，（b）为在空气环境中光纤麦克风时的灵敏度曲线。

图8为本发明所述的一种鱼鳔仿生水陆两用型光纤声学海洋传感器的系统自噪声曲线，其中（a）为光纤水听器时的系统自噪声曲线，（b）为陆地环境下使用的光纤麦克风系统信噪比曲线。

图9为本发明所述的一种鱼鳔仿生水陆两用型光纤声学海洋传感器在水下光学性能稳定性测试示意图，其中（a）为在水下光学性能稳定性测试实验示意图，（b）为在水下光学性能稳定性测试实验结果数据图。

图10为本发明所述的一种鱼鳔仿生水陆两用型光纤声学海洋传感器进行空气-水跨介质声信息传输的示意图，其中（a）为空气-水跨介质声信息传输的实验示意图，（b）为空气-水跨介质声信息传输的演示实验中空气中发射的音频信号结果数据图，（c）为空气-水跨介质声信息传输的演示实验中光纤水听器在水下的接收信号的结果数据图。

图11为本发明所述的一种鱼鳔仿生水陆两用型光纤声学海洋传感器进行水-空气跨介质FSK通信实验示意图，其中（a）为水-空气跨介质FSK通信演示实验示意图，（b）为跨介质通信光纤麦克风在空气中的接收信号实验结果，（c）为跨介质通信水下发射的2FSK信号的接收信号实验结果。

图12为本发明所述的一种鱼鳔仿生水陆两用型光纤声学海洋传感器改变不同的参数对传感器声学响应特性的影响示意图，其中（a）为改变溢流孔直径对传感器声学响应特性的影响示意图，（b）为改变溢流孔孔长对传感器声学响应特性的影响示意图，（c）为改变背腔体积对传感器声学响应特性的影响示意图，（d）为改变膜片规格对传感器声学响应特性的影响示意图。

附图中标记说明：图2中：1-感声膜片，2-膜片外框，3-溢流孔，4-背腔，5-膜片支撑外壳，6-单孔光纤套管，7-镀膜光纤，8-单模光纤。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，所描述的实施例仅仅是本发明部分实施例，而不是全部的实施例。

一、具体实施方式一，参见图1-图12说明本实施方式，一种鱼鳔仿生水陆两用型光纤海洋声学传感器，包括感声膜片1、膜片外框2、多个溢流孔3、与溢流孔相连背腔4、膜片支撑外壳5、单孔光纤套管6、镀膜光纤7和单模光纤8，所述膜片支撑外壳5顶部设置有凹槽，所述凹槽与膜片外框2配合，所述膜片外框2上设置有感声膜片1，所述背腔4位于膜片支撑外壳5内，所述膜片支撑外壳5顶部位于凹槽的外侧设置有溢流孔3，多个溢流孔3与背腔4相连，所述膜片支撑外壳5底部安装有单孔光纤套管6，所述镀膜光纤7的头部穿过单孔光纤套管6伸入背腔4内部，镀膜光纤7的尾端与单模光纤8连接。镀膜光纤7的尾端通过熔接机与单模光纤8熔接后和外界相连。所述单孔光纤套管6为单孔玻璃毛细管。

所述感声膜片1为大小0.5mm×0.5mm-1mm×1mm，厚度200nm-500nm的正方形，所述膜片外框2为5mm×5mm厚度200μm的正方形。

所述膜片支撑外壳5整体直径为8-12mm，高5-10mm，顶端凹槽尺寸为5.1mm×5.1mm×0.2mm。

所述溢流孔3个数为1-4个，溢流孔直径为0.2-1mm，孔长为0.5-10mm，背腔4的体积为20-400mm3。

所述感声膜片1的材质为低应力的氮化硅，所述膜片外框2的材质为硅。所述膜片支撑外壳5的材质为硬质塑料或陶瓷。

实施例1：

该传感器的工作频率为500Hz-4kHz；感声膜片1为0.5mm×0.5mm且厚度200nm的正方形，膜片外框2为5mm×5mm且厚度200μm的正方形；膜片支撑外壳5整体直径为10mm，高5.5mm，顶端凹槽尺寸为5.1mm×5.1mm×0.2mm；溢流孔3直径为0.5mm，孔长为1mm，背腔4的体积为85mm3。

实施例2：

该传感器的工作频率为800Hz-10kHz；感声膜片1为0.5mm×0.5mm，厚度230nm的正方形，膜片外框2为5mm×5mm厚度200μm的正方形；膜片支撑外壳5整体直径为10mm，高5.5mm，顶端凹槽尺寸为5.1mm×5.1mm×0.2mm；溢流孔3直径为0.8mm，孔长为0.1mm，背腔4的体积为85mm3。

实施例3：

该传感器的工作频率为1kHz-20kHz；感声膜片1为0.5mm×0.5mm，厚度200nm的正方形，膜片外框2为5mm×5mm厚度200μm的正方形；膜片支撑外壳5整体直径为10mm，高5.5mm，顶端为5.1mm×5.1mm×0.2mm的凹槽；溢流孔3直径为1mm，孔长为1mm，背腔4的体积为435mm3。

实施例4：

该传感器的工作频率为2kHz-30kHz；感声膜片1为0.5mm×0.5mm，厚度500nm的正方形，膜片外框2为5mm×5mm厚度200μm的正方形；膜片支撑外壳5整体直径为10mm，高5.5mm，顶端为5.1mm×5.1mm×0.2mm的凹槽；溢流孔3直径为0.5mm，孔长为1mm，背腔4的体积为85mm3。

如图1所示，本发明所述的一种鱼鳔仿生水陆两用型光纤声学海洋传感器借鉴了鱼鳔转换工作状态的思路，利用溢流孔3的设计可以方便地切换传感器内部介质，达到和外界工作环境阻抗匹配的目的，从而进行工作状态的灵活切换。图1为所述的光纤声学海洋传感器改变内部介质后，应用于不同工作环境的示意图。传感器内部背腔4充气时则充当光纤麦克风，用于空气中声探测与通信；传感器内部背腔4充水时则充当光纤水听器，用于水下声探测与通信。

如图2-4所示，本发明所述的一种鱼鳔仿生水陆两用型光纤声学海洋传感器的结构示意图。所述的光纤声学海洋传感器由感声膜片1，外围的膜片支撑外框2，膜片支撑外壳5上表面对称的两个溢流孔3，与溢流孔3联通的释放压力的背腔4，一段镀膜光纤7，单孔光纤套管6及单模光纤8组成。所述膜片支撑外框2用UV胶粘在所述膜片支撑外壳5的顶端凹槽内，所述膜片支撑外壳5的顶端有两个对称的溢流孔3，且与膜片支撑外壳5 内部的背腔4相连。单孔光纤套管6固定在支撑外壳5的底部用于夹持镀膜光纤，镀膜光纤7的尾端通过熔接机与单模光纤8熔接。

所述的镀膜光纤7的头部端面与感声膜片之间形成F-P干涉腔，当声波入射时，声压使得感声膜片1发生形变，F-P腔的腔长发生改变。解调腔长改变量，即可得知入射声压大小。溢流孔3可提高传感器在水下抵抗静水压能力，通过溢流孔3可以更换背腔4内介质，从而实现光纤声学海洋传感器不同工作转态之间的转换，达到水陆两用的目的。

如图5所示，本发明所述的一种鱼鳔仿生水陆两用型光纤声学海洋传感器的集总参数等效电路图。为准确分析该光纤声学海洋传感器的共振特性，当声学传感器特征尺寸远小于声波波长时可以忽略声波的传播特性，直接将声学系统各部分运动视为均匀的，从而可将声学振动系统视为集总参数模型，并采用与电学系统类似的等效电路图进行分析。集总参数模型对于传感器结构参数的选取具有重要的指导意义。

F-P光纤声学海洋传感器的灵敏度由两部分来决定，如公式（1）所示，传感器响应的第一部分是F-P的机械灵敏度，第二部分是光学灵敏度。机械灵敏度部分（公式（1）的等式右边第一项ME部分），主要由传感器膜片的声压响应函数和膜片自身的机械顺应性决定，传感器膜片的声压响应函数在后面的等效电路分析里有详细的解释计算，它是与传感器结构参数（包括膜片）和声频率相关的函数。后者表示施加在膜片上的单位压力迫使膜片运动，从而引起的腔长变化，即膜片自身的机械灵敏度，这一项与膜片尺寸、材料等机械特性有关。光学灵敏度部分（公式（1）的等式右边第二项OP部分），主要是由FP腔长引起的反射光功率的变化和反射光相位变化引起的光电解调信号输出电压的变化来决定。因此，传感器的整体灵敏度可以表示为:

公式（1）：

；

其中，

为入射声波压强；/>

为入射声压与膜片振动后辐射声场的叠加压强；

是F-P腔的腔长；/>

是反射光强，/>

是输出电压。在本发明中，光学部分由于FP中的薄膜光学特性以及光学系统均是恒定的，因此可以作为一个常数来处理。即上述表达式中，只有与声频率相关的第一项决定了灵敏度的频谱响应特征曲线，剩余项只对其整体幅值进行了线性的缩放。因此，在数值仿真中，当比较传感器结构尺寸和膜片规格参数的改变而引起的性能结果差异时，我们只考虑传感器灵敏度公式（1）中的机械灵敏度部分。/>

为了简化分析模型，可将入射声波看作均匀的平面波声场

，/>

可以通过两种方式影响传感器内部的声场（见图5）。最直接的一种方式是通过溢流孔，当孔受到入射声压作用时，孔内介质发生运动并且向后方联通的空腔内辐射声压，其中，溢流孔内介质的动能用声质量/>

来描述，孔壁摩擦导致的能量耗散用声阻/>

表达。另一种间接的方式通过感声膜片：首先，入射声波的压力场/>

会引起FP腔的膜片振动。膜片振动类似一个次级声源，它会产生辐射声场并且与外界入射声场进行叠加，叠加后的声场声压为/>

，这个声压是导致膜片形变的关键。膜片与声辐射相关的参数包括辐射质量/>

, 辐射阻/>

，前一项表示随膜片运动的流体动能，后一项表示流体运动过程中的能量耗散，这些表征了膜片作为次级声源产生声辐射的能力，因此这些项也会直接影响叠加之后的声场声压/>

的大小。而膜片自身的声阻抗，不仅包括声学质量/>

，还需要包括膜片声容/>

这一项来描述自身形变存储的势能。类似的，膜片之后的一段通道具有声质量/>

和声阻/>

。等效电路中这两种方式的通路并联连接到模型后部的空腔，假设腔壁为刚性的，在介质压缩和膨胀时不变形，那么运动的介质会引起腔内压强的变化，使得腔内的流体存储势能，在所关心的低频段表现为声顺/>

。

由于传感器光路只对腔长（膜片中心位移）敏感，在声振系统的等效电路分析里，膜片声顺

上的压降/>

与入射声压/>

的比值代表了传感器膜片的声压传递响应。为计算该值，将等效电路模型分成四个阻抗部分，分别为/>

，

，/>

，/>

，其中w为入射声波角频率。膜片声顺上的声压/>

与入射声压/>

的比值如下公式（2）：

公式（2）：

；

这里需要注意，边长为2a四周固定支撑的具有低残余应力的方形膜片，在受到外界均匀压力载荷P作用下，其膜面法线方向位移可以表示为：

公式（3）：

；

上式中，D为抗弯刚度：

，其中E和m分别为膜片材料的杨氏模量及泊松比，h为方形膜片的厚度。膜片所受幅值为/>

频率为w的简谐声压信号，即

。膜片最大中心位移/>

。膜片机械灵敏度为/>

。将/>

与膜片机械灵敏度/>

相乘即可得到传感器的机械灵敏度（公式（1））。由此计算能够得到的传感器灵敏度频率响应曲线，通过该响应曲线的分析可以预判该传感器结构的主要尺寸参数对截止频率，共振峰频率及可以使用的频带的影响，从而为需要的性能优化提供设计参考。

下表为对应于图5中的各集总参数元件的参数表达式：

；表中，r为膜片材料密度；

为背腔中介质密度；/>

为背腔中介质声速；h为流体切变粘滞系数；/>

为孔长；/>

为孔半径；V为背腔体积；/>

为通道长度；/>

为通道半径。

如图6（a）所示，本发明一种鱼鳔仿生水陆两用型光纤声学海洋传感器在水下进行声学测试的实验装置示意图。所述的光纤声学海洋传感器通过溢流孔将结构内部背腔注满水，则可以充当光纤水听器进行水下声信号探测。在驻波管中和标准水听器（RESONTC4013）进行灵敏度标定，采用白光干涉方法进行光信号解调，所得到的光纤水听器声压灵敏度曲线如图6（b）所示。所述的光纤水听器在10Hz~4kHz工作频段时，平均灵敏度可以达到155dB re. V/

Pa。如图7（a）所示，本发明所述的一种鱼鳔仿生水陆两用型光纤声学海洋传感器在空气环境中进行声学测试的实验装置示意图。所述的光纤声学海洋传感器通过溢流孔将结构内部背腔中注满空气，则可以充当陆地上使用的光纤麦克风进行空气中的声信号探测。在消声室中，将所述的光纤麦克风和标准BK麦克风进行灵敏度标定，依旧采用白光干涉方法进行光信号解调，所得到的灵敏度曲线如图7（b）所示。在2900Hz，光纤麦克风最高灵敏度为74.67mV/Pa，30kHz以下工作频段的平均灵敏度可以达到25mV/Pa。

如图8所示，本发明所述的一种鱼鳔仿生水陆两用型光纤声学海洋传感器系统自噪声测试曲线。在消声室中采集无发射源时传感器本身的噪声信号，以此判断是否具有检测微弱信号的能力。该传感器作为光纤水听器工作时，其自噪声级为39.14dB@1kHz，可以和零级海况相媲美（见图8（a））。该传感器作为空气环境下的光纤麦克风工作时，其自噪声级为29.01dB@1kHz，对应的系统信噪比约为40dB（见图8（b））。以上这些实验结果表明，该水陆两用型光纤声学传感器具有较低的系统噪声级，因此具备优良的微弱声信号探测能力。

如图9（a）所示，本发明所述的一种鱼鳔仿生水陆两用型光纤声学海洋传感器，对其在水下工作的稳定性进行了测试。在消声水池中，改变所述的光纤声学海洋传感器的水下工作深度，水下4-7m范围内光学传感器的光谱响应特性基本没有改变（图9（b）），该试验成功证明了该光纤声学海洋传感器的光学性能在水下十分稳定，满足在水下稳定工作的要求。

如图10所示，为本发明所述的光纤声学海洋传感器进行空气-水跨介质通信演示实验示意图（a）及实验结果图（b）。在演示实验中，在空气中播放一段音频信号，所述的光纤声学海洋传感器在水下充当光纤水听器进行信号接收。试验证明，该传感器可以较为准确地还原出播放的音频信号，但由于背景噪声及仪器散热风扇等影响，在不进行信号采集后的信号处理时，接收信号幅值有明显下降，但信息基本采集完全，得到了良好的信号复现，由此完成了空气-水的跨介质通信演示实验。

如图11所示，为本发明所述的光纤声学海洋传感器进行空气-水跨介质通信演示实验示意图（a）及实验结果图（b）。用圆盘换能器在水下发射2FSK信号（频率为2.5kHz 和3.6kHz），所述的光纤声学海洋传感器在空气中充当光纤麦克风进行信号接收。实验证明，该传感器可以较为准确地还原出发射的2FSK信号，但由于背景噪声及仪器散热风扇等影响，在不进行信号采集后的信号处理时，接收信号幅值有明显下降，但信息基本采集完全，得到了良好的信号复现，由此完成了水-空气的跨介质通信演示实验。

如图12所示，本发明所述的一种鱼鳔仿生水陆两用型光纤声学海洋传感器的溢流孔直径、孔长、背腔体积及膜片规格的改变对于传感器共振峰的影响。图12（a）是在初始尺寸下仅改变溢流孔半径计算的传递响应曲线，随着溢流孔半径的增大，共振峰往高频移动，水环境中的机械灵敏度有所降低，过大的孔径无法保证传感器的灵敏度和需要的低频带的可用带宽。图12（b）是仅改变溢流孔孔长的计算结果，随着溢流孔3孔长的增大，平坦带宽有往低频延伸的趋势，水中的传递响应基本维持稳定。图12（a）和图12（b）展示了改变孔径和孔长的仿真结果，它是等效电路模型中溢流孔支路的阻抗变化在两种情况下的不同体现。由仿真结果可知，传感器设计时减小溢流孔径并增加孔长能使传感器具有更好的低频性能，但是在实际应用中，太小的孔径（微米级别）不方便传感器内部介质的更换，无法满足水陆两用的目的。另一方面，较大的孔长（厘米级别）导致传感器尺寸随之增加，因此为满足实际应用，选用

级别的溢流孔尺寸较为合适。

如图12（c）所示，空腔体积的变化（腔声容）也会对传感器性能有影响，腔体积的变化对水下第一个共振峰的位置基本没有影响，允许了传感器进一步的微型化，但是太小的腔体积也会导致传感器灵敏度的下降，因为越小的空腔体积对介质运动的阻碍越大。如图12（d）所示是较为常见膜片规格的仿真结果，对于仿真采用的几种规格来说，越薄和越大的膜片机械顺应性越大，但是由于水的密度大造成膜片辐射阻抗相对增大，大面积膜片的水声灵敏度并不占优势。

所述的一种鱼鳔仿生水陆两用型光纤声学海洋传感器的制造方法为：

所述感声膜片1及膜片外框2用UV胶粘在所述膜片支撑外壳5顶端凹槽内，所述膜片支撑外壳5的顶端有两个对称的溢流孔3，两个对称的溢流孔3与内部背腔4相连。膜片支撑外壳5采用3D打印进行加工。所述内部背腔4为膜片支撑外壳5结构内部空腔，所述镀膜光纤7一端通过单孔光纤套管6伸入背腔4内，镀膜光纤7另一端用熔接机和单模光纤8熔接后和外界相连。

以上公开的本发明实施例只是用于帮助阐述本发明。实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施方式。根据本说明书的内容，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地理解和利用本发明。

Claims (10)

1.一种鱼鳔仿生水陆两用型光纤海洋声学传感器，其特征在于：包括多个溢流孔（3）、背腔（4）、膜片支撑外壳（5）、单孔光纤套管（6）、镀膜光纤（7）和单模光纤（8），所述膜片支撑外壳（5）顶部设置有凹槽，所述凹槽与膜片外框（2）配合，所述膜片外框（2）上设置有感声膜片（1），所述膜片支撑外壳（5）顶部位于凹槽的外侧设置有溢流孔（3），所述背腔（4）位于膜片支撑外壳（5）内，多个溢流孔（3）与背腔（4）相连，所述膜片支撑外壳（5）底部安装有单孔光纤套管（6），所述镀膜光纤（7）的头部穿过单孔光纤套管（6）伸入背腔（4）内部，镀膜光纤（7）的尾端与单模光纤（8）连接。

2.根据权利要求1所述的鱼鳔仿生水陆两用型光纤海洋声学传感器，其特征在于：所述感声膜片（1）为大小0.5mm×0.5mm-1mm×1mm，厚度200nm-500nm的正方形，所述膜片外框（2）为5mm×5mm厚度200μm的正方形。

3.根据权利要求1或2所述的鱼鳔仿生水陆两用型光纤海洋声学传感器，其特征在于：所述膜片支撑外壳（5）整体直径为8-12mm，高5-10mm，顶端凹槽尺寸为5.1mm×5.1mm×0.2mm。

4.根据权利要求3所述的鱼鳔仿生水陆两用型光纤海洋声学传感器，其特征在于：所述溢流孔（3）个数为1-4个，溢流孔（3）直径为0.2-1mm，孔长为0.5-10mm，背腔（4）体积为20-400mm³。

5.根据权利要求4所述的鱼鳔仿生水陆两用型光纤海洋声学传感器，其特征在于：该传感器的工作频率为500Hz-4kHz；感声膜片（1）为0.5mm×0.5mm且厚度200nm的正方形，膜片外框（2）为5mm×5mm且厚度200μm的正方形；膜片支撑外壳（5）整体直径为10mm，高5.5mm，顶端凹槽尺寸为5.1mm×5.1mm×0.2mm；溢流孔（3）直径为0.5mm，孔长为1mm，背腔（4）的体积为85mm³。

6.根据权利要求4所述的鱼鳔仿生水陆两用型光纤海洋声学传感器，其特征在于：该传感器的工作频率为800Hz-10kHz；感声膜片（1）为0.5mm×0.5mm，厚度230nm的正方形，膜片外框（2）为5mm×5mm厚度200μm的正方形；膜片支撑外壳（5）整体直径为10mm，高5.5mm，顶端凹槽尺寸为5.1mm×5.1mm×0.2mm；溢流孔（3）直径为0.8mm，孔长为0.1mm，背腔（4）的体积为85mm³。

7.根据权利要求4所述的鱼鳔仿生水陆两用型光纤海洋声学传感器，其特征在于：该传感器的工作频率为1kHz-20kHz；感声膜片（1）为0.5mm×0.5mm，厚度200nm的正方形，膜片外框（2）为5mm×5mm厚度200μm的正方形；膜片支撑外壳（5）整体直径为10mm，高5.5mm，顶端为5.1mm×5.1mm×0.2mm的凹槽；溢流孔（3）直径为1mm，孔长为1mm，背腔（4）的体积为435mm³。

8.根据权利要求4所述的鱼鳔仿生水陆两用型光纤海洋声学传感器，其特征在于：该传感器的工作频率为2kHz-30kHz；感声膜片（1）为0.5mm×0.5mm，厚度500nm的正方形，膜片外框（2）为5mm×5mm厚度200μm的正方形；膜片支撑外壳（5）整体直径为10mm，高5.5mm，顶端为5.1mm×5.1mm×0.2mm的凹槽；溢流孔（3）直径为0.5mm，孔长为1mm，背腔（4）的体积为85mm³。

9.根据权利要求1所述的鱼鳔仿生水陆两用型光纤海洋声学传感器，其特征在于：所述感声膜片（1）的材质为低应力的氮化硅，所述膜片外框（2）的材质为硅。

10.根据权利要求1所述的鱼鳔仿生水陆两用型光纤海洋声学传感器，其特征在于：所述膜片支撑外壳（5）的材质为硬质塑料或陶瓷。

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