【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于水声领域，具体涉及一种谐振高灵敏检测声压水听器及其实现方法。
技术介绍
1、在传感器
，迄今为止，绝大多数传感器的设计思想是以满足测量为目标的线性传感器器，且大多数应用需求都是线性测量，而且偏重于静态测量，讲究测量精准程度，以压力传感器为例，常用技术指标包括灵敏度、频带宽度以及包含非线性、重复性和迟滞的三项精度指标或包含非线性、重复性、迟滞、时漂及温漂的五项精度指标等等。水下声传感器也不例外，大多数水下声传感器依然保持这种设计思想，采用这种线性传感测量设计思想的水声传感器的评价指标主要包括频带宽度、频带内灵敏度及平坦程度以及响应一致性等。由于声信号包含着丰富的频率成分，因此对声信号的测量属于动态测量，因此更关注灵敏度的频率响应是否平坦，能否保证测量是线性测量，通过线性传感器获得精准的被测信号的量值等信息。水声传感器的设计同样是要求传感器具有线性响应特性，可以获得声源信息准确的具有线性特性的测量值，为后续声纳信号处理提供准确的可线性折算的前端输入信息。
2、随着物联网技术和微电子技术的快速发展，传感器技术以及传感器的应用模式都发生了很大变化，传感器的设计思路也面临创新和改变；随着微电子技术的进步，微观集成能力的成熟也为传感器的融合设计提供了更多可能性。在这种传感器技术发展大背景下，国外率先突破常规传感器技术和传感器应用范式提出了基于目标检测的特征唤醒新型传感模式与应用范式，其创新思想来源于基于物联网野外应用对大量具有极低功耗能力的传感器的强烈应用需求，其核心创新理念是利用传感器技术多角度充分获取被测
3、在水声应用中，由于海洋环境背景噪声的存在，水声传感器接收的有用声信号很弱，很多情况是淹没在噪声里的，尤其当远距离检测时，水声传感器能够接收到的声源发出的声信号极其微弱，并且一定是淹没在环境背景噪声里的，在这种情况下，对具有高灵敏检测能力的传感器提出了迫切要求。
4、结构谐振作为一种物理现象，在一些特殊环境下通过巧妙利用发挥了发挥很多特殊作用，达到过很多特殊效果，例如声表面波器件和体波器件，在水听器领域一样，谐振特性也被运用于水听器的设计，但到目前为止一般都是用谐振特性设计主动发声的声源，在被动接收的水听器设计领域几乎不用，原因是在接收端需要水听器的很宽的频率范围内保持平稳一致，谐振点通常是要被剔除和回避的。为此，提出一种利用结构谐振特性实现的高灵敏检测声压水听器及其设计和工作方法，可以实现高灵敏的特征信息检测。
技术实现思路
1、本专利技术还提供一种谐振高灵敏检测声压水听器，用于水下特定声场特征信息的检测。
2、本专利技术还提供一种谐振高灵敏检测声压水听器的实现方法，用于得到谐振高灵敏检测声压水听器，同时实现水下特定声场特征信息的监测与处理后的传输。
3、本专利技术通过以下技术方案实现：
4、本专利技术提供一种谐振高灵敏检测声压水听器的设计方法，所述设计方法包括以下步骤，
5、一种谐振高灵敏检测声压水听器，所述谐振高灵敏检测声压水听器利用了谐振敏感机制，只针对特定声场特征信息进行窄带高灵敏谐振传感，具有窄带高灵敏特性，配合宽带水听器获得背景噪声进行阈值设定可实现特定声场特征信息的有效检测；
6、利用水听器敏感结构的固有谐振特性，将敏感结构的固有谐振频率作为水听器的工作频率，通过对敏感结构本征频率点的设计及结构阻尼配合设计实现预定特征频率点附近的窄带滤波传感和谐振高灵敏响应特性。
7、一种谐振高灵敏检测声压水听器的设计方法，所述设计方法包括以下步骤，
8、步骤1：根据检测需求选取水下特定声场特征信息的频率点；
9、步骤2：根据特征频率点选择水听器的敏感模式和敏感结构，并将感受声信息的敏感结构为谐振器，将所要检测的特征信息的频率作为敏感结构的谐振频率，使敏感结构的谐振频率与特征频率相同；
10、步骤3：基于步骤2的谐振水听器工作频率，设计声压水听器谐振器的参数，即设计敏感结构的参数；
11、步骤4：基于步骤2的敏感结构和步骤3获得的敏感结构的参数设计获得敏感结构的力学响应，并据此设计力电转换器，获得水听器的灵敏度响应；
12、步骤5：阻尼设计，根据水听器的带宽要求，设计阻尼系数，并根据结构特征选取声学封装结构作为阻尼结构，得到谐振高灵敏检测声压水听器的整体结构。
13、进一步的，根据特征频率设计敏感结构参数的方法，根据弹性力学理论可知敏感结构的固有频率表达式为，
14、
15、其中，k为弹性敏感元件的刚度；m为等效振动质量；
16、通过对敏感结构的参数选择，使其固有谐振频率与水下被测特征信息的频率一致。
17、进一步的，根据弹性力学动态响应理论，对谐振高灵敏检测声压水听器的声压力学响应灵敏度进行设计，具体包括以下步骤，
18、步骤4.1：对选定的敏感结构,进行受力分析，根据弹性力学理论，建立力学方程；
19、步骤4.2：求解方程；
20、步骤4.3：基于求得的方程的解，取第一阶谐振频率，获得力学响应表达式；
21、步骤4.4：基于步骤4.3的力学响应表达式，得到敏感结构力学响应分布图；
22、步骤4.5：根据敏感结构力学响应分布图，设计力电转换器，具体为根据应力集中区域的特点设计力电转换器的类型、分布位置和面积的大小等。
23、进一步的，所述步骤5具体为，当有声场作用时，声压通过阻尼封装结构4垂直入射作用于平膜敏感结构上表面，所述阻尼封装结构4使频带展宽，通过在0-0.7之间设计阻尼系数，实现不同响应幅度和-3db频带宽度的谐振高灵敏检测声压水听器。
24、一种谐振高灵敏检测声压水听器，所述水听器使用如所述谐振高灵敏检测声压水听器的设计方法进行设计后，通过模块制造和组装实现的结构构成和工作方法，所述谐振高灵敏检测声压水听器包括力学敏感结构谐振器1、力电转换器2、电信号提取模块3、阻尼封装结构4、电信号处理模块5、壳体结构6、引线7和输出结构8；
25、所述力学敏感结构谐振器1设置在电信号处理模块5的上方，所述力学敏感结构谐振器1上设置力电转换器2，所述力电转换器2上设置电信号提取模块3，电信号提取模块3与电信号处理模块5之间和电信号处理模块5与输出结构8之间通过引线7连接；所述力学敏感结构谐振器1与壳体结构6之间填充阻尼封装结构4
26、进一步的，所述阻尼封装结构4，用于将获取的待检测特征信息频率点尖锐的谐振峰幅度压制下来，同时展宽频带；
27、所述力学敏感结构谐振器1，用于接收水下待检测信息特征频率点的声信号；
28、所述力电转换器2，用于将力学敏感结构谐振器1的力学变化通过压电效应转化为电荷信号；<本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种谐振高灵敏检测声压水听器，其特征在于，所述谐振高灵敏检测声压水听器利用了谐振敏感机制，只针对特定声场特征信息进行窄带高灵敏谐振传感，具有窄带高灵敏特性，配合宽带水听器获得背景噪声进行阈值设定可实现特定声场特征信息的有效检测；
2.根据权利要求1所述一种谐振高灵敏检测声压水听器的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤，
3.根据权利要求2所述一种谐振高灵敏检测声压水听器的设计方法，其特征在于，根据特征频率设计敏感结构参数的方法，根据弹性力学理论可知敏感结构的固有频率表达式为，
4.根据权利要求2所述一种谐振高灵敏检测声压水听器的设计方法，其特征在于，根据弹性力学动态响应理论，对谐振高灵敏检测声压水听器的声压力学响应灵敏度进行设计，具体包括以下步骤，
5.根据权利要求2所述一种谐振高灵敏检测声压水听器的设计方法，其特征在于，所述步骤5具体为，当有声场作用时，声压通过阻尼封装结构(4)垂直入射作用于平膜敏感结构上表面，所述阻尼封装结构(4)使频带展宽，通过在0-0.7之间设计阻尼系数，实现不同响应幅度和-3dB频带宽度的谐
6.一种谐振高灵敏检测声压水听器，其特征在于，所述谐振高灵敏检测声压水听器包括力学敏感结构谐振器(1)、力电转换器(2)、电信号提取模块(3)、阻尼封装结构(4)、电信号处理模块(5)、壳体结构(6)、引线(7)和输出结构(8)；
7.根据权利要求6所述一种谐振高灵敏检测声压水听器，其特征在于，所述阻尼封装结构(4)，用于将获取的待检测特征信息频率点尖锐的谐振峰幅度压制下来，同时展宽频带；
8.根据权利要求6或7所述一种谐振高灵敏检测声压水听器的工作方法，其特征在于，所述电信号处理模块(5)处理的信号形式包括但不限于电荷信号，也可以是电压、电阻或电容信号；
9.根据权利要求1所述一种谐振高灵敏检测声压水听器，其特征在于，所述谐振高灵敏检测声压水听器既可采用压电陶瓷等敏感元件通过机电结构工艺设计实现，也可通过MEMS技术在芯片上进行设计与工艺实现，并可通过MEMS集成技术进行多个谐振高灵敏检测声压水听器的集成；
10.根据权利要求6或7所述一种谐振高灵敏检测声压水听器的工作方法，其特征在于，所述声场特征信息传感原理涉及的工作方法具体为，当水下存在包含某个特征频率的声场特征信息时，如果该特征信息的频率与谐振高灵敏检测水听器的工作频带吻合，则高灵敏检测声压水听器的内部敏感结构的谐振被激发出来；当谐振发生时，敏感结构通过力电转换生成电荷或电压信号，通过信号处理后输出，实现了水听器谐振频率点附近窄带特征信号的高灵敏传感，没有特征信号时，水听器输出为本底噪声。
...【技术特征摘要】
1.一种谐振高灵敏检测声压水听器，其特征在于，所述谐振高灵敏检测声压水听器利用了谐振敏感机制，只针对特定声场特征信息进行窄带高灵敏谐振传感，具有窄带高灵敏特性，配合宽带水听器获得背景噪声进行阈值设定可实现特定声场特征信息的有效检测；
2.根据权利要求1所述一种谐振高灵敏检测声压水听器的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括以下步骤，
3.根据权利要求2所述一种谐振高灵敏检测声压水听器的设计方法，其特征在于，根据特征频率设计敏感结构参数的方法，根据弹性力学理论可知敏感结构的固有频率表达式为，
4.根据权利要求2所述一种谐振高灵敏检测声压水听器的设计方法，其特征在于，根据弹性力学动态响应理论，对谐振高灵敏检测声压水听器的声压力学响应灵敏度进行设计，具体包括以下步骤，
5.根据权利要求2所述一种谐振高灵敏检测声压水听器的设计方法，其特征在于，所述步骤5具体为，当有声场作用时，声压通过阻尼封装结构(4)垂直入射作用于平膜敏感结构上表面，所述阻尼封装结构(4)使频带展宽，通过在0-0.7之间设计阻尼系数，实现不同响应幅度和-3db频带宽度的谐振高灵敏检测声压水听器。
6.一种谐振高灵敏检测声压水听器，其特征在于，所述谐振高灵敏检测声压水听器包括力学敏感结构谐振器(1)、力电转换器(2)、电信号提取模块(3)...
【专利技术属性】
技术研发人员：朴胜春，葛宣佐，张强，雷亚辉，陈丽洁，
申请(专利权)人：哈尔滨工程大学，
类型：发明
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