应用案例

　　实验名称：同振型三轴光纤矢量水听器加速度灵敏度与指向性测试

　　研究方向：探索同振型三轴光纤矢量水听器的结构设计与性能优化方法，研究聚焦于提升其加速度灵敏度和指向性指标以满足水下声信号探测的工程应用需求。具体分为两个核心部分：首先基于有限元仿真方法，分析弹性体几何参数（长度、球壳外径、光纤绕制层数）对谐振频率、声压灵敏度和加速度灵敏度的耦合影响规律，建立参数优化模型以平衡灵敏度与频率响应特性；其次通过声学水池实验验证设计性能，重点研究三轴正交悬挂系统对矢量水听器振动传递的约束作用，并量化评估其加速度灵敏度（100Hz~1kHz频段内稳定性）与指向性（“∞”字型图样对称度及抑制旁瓣能力）的实际表现，最终形成小型化、高一致性的工程化封装方案。

　　实验目的：探究弹性体几何参数（长度、外径、光纤层数）对光纤矢量水听器加速度灵敏度与谐振频率的影响规律，及其在宽频段（100Hz~1kHz）灵敏度稳定性和高指向性（“∞”型）的优化效果，为水下声信号探测工程应用提供实验支撑。

　　测试设备：低频换能器，高频换能器，ATA-L8B水声功率放大器，标准声压水听器，电荷放大器，示波器，信号发生器，解调板卡等

　　实验过程：在声学水池中采用三轴橡皮筋悬挂系统固定光纤矢量水听器（Φ100mm），通过标准压电水听器与ATA-L8B功率放大器生成100Hz~1kHz激励信号，利用解调板卡同步采集声压灵敏度数据，基于公式

　　计算加速度灵敏度；针对指向性测试，以低频/高频换能器为声源，通过三轴旋转台控制水听器每10°步进，结合电荷放大器与示波器记录X/Y/Z三轴声压响应，利用极坐标算法绘制“∞”型指向性图，并通过频谱分析提取主瓣抑制比（>25dB）与灵敏度波动范围（±1.5dB），最终建立弹性体参数（长度16-25mm，外径80-100mm）与性能指标的映射关系。

图1干涉型光纤水听器原理图

　　实验结果：在弹性体长度为25mm的优化构型下，同振型三轴光纤矢量水听器仿真加速度灵敏度达42.79dBre1rad/g，实测频段（100Hz~1kHz）平均灵敏度为43.5dBre1rad/g，灵敏度波动范围控制在±1.5dB以内，满足设计目标；当弹性体缩短至16mm时，加速度灵敏度下降至37.68dBre1rad/g，但谐振频率从1690Hz提升至2080Hz（实测值较仿真预测高8.5%），揭示了灵敏度与谐振频率的负相关性。指向性测试中，三轴正交悬挂系统下X/Y/Z轴指向性分别达27.2dB、26.7dB、26.2dB，主瓣抑制比达26dB，旁瓣能量衰减>15dB，且指向性图呈现典型“∞”字型对称分布（幅值偏差<±1.2dB），验证了质量块-弹性体解耦设计的有效性。进一步分析显示，弹性体长度从25mm缩减至16mm时，声压灵敏度从-134.5dB线性下降至-138.8dB（降幅4.3dB），而谐振频率提升23.1%，与有限元仿真结果误差<5%，表明弹性体几何参数对声压灵敏度和频率响应具有显著调控作用。最终，实验验证了该水听器在加速度灵敏度（≥40dB）、指向性（>25dB）及频段稳定性上的协同优化效果，为水下声信号宽频高精度探测提供了可靠的工程化设计依据。

图2矢量水听器悬挂系统图片

图3X、Y、Z轴加速度灵敏度

图4X、Y、Z轴指向性图

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