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用于UUV低频声呐系统的小型PVDF水听器研究

摘要

水下无人航行器（UnmannedUnderwaterVehicle，UUV）具有隐蔽性强、工作范围

广、可以在水下执行长时间工作的特点，在未来海战中具有重要地位。随着UUV发展

趋于大型化，其尺度的增大和载荷的提高使探测距离远且工作时不易暴露自身的舷侧阵

和拖曳线列阵声呐可以搭载于UUV上，这将显著提高UUV的水下目标探测性能。针

对目前国内对UUV舷侧阵和拖曳线阵声呐装备研究较少的现状以及聚偏二氟乙烯

（Polyvinylidenefluoride，PVDF）压电薄膜材料密度低、声阻抗小、易与水匹配、静水

压压电常数高等特点，本文开展了适用于UUV低频声呐系统的小型PVDF水听器的研

究。通过理论推导和仿真计算，总结出PVDF水听器小型化设计新的重要思路：（1）当

选定合适的PVDF材料以及厚度参数，可通过减小薄膜面积来实现平面型水听器的小型

化，其声压灵敏度响应可以保持大面积PVDF平面型水听器的高灵敏度特性；（2）当选

定合适的PVDF材料、厚度以及圆柱背衬内外径比等参数，可通过减小圆柱背衬高度以

及绝对半径尺寸实现圆柱型水听器的小型化，其声压灵敏度响应可以保持大圆柱PVDF

水听器的高灵敏度特性。以上研究发现表明，小型化的PVDF水听器保持了大体积PVDF

水听器的优良特性，适合用于开发适用于UUV平台的灵巧型水声探测装备。

首先，建立了PVDF平面型和圆柱型水听器的理论模型并对其接收灵敏度进行推导。

仿真对比发现PVDF水听器在结构小型化前后的低频段接收灵敏度性能保持一致的高

灵敏度特性，并对PVDF水听器各参数对接收灵敏度的影响规律进行仿真计算。建立了

小型PVDF水听器的等效电学模型，分析了线缆电容引入的接收灵敏度级损失，对不同

电容值的PVDF水听器的等效电子热噪声进行仿真对比。

然后，使用COMSOL对小型PVDF平面水听器和圆柱水听器的谐振频率、接收灵

敏度等参数进行仿真优化设计，确定两种小型PVDF水听器样机的几何参数和相关材料

属性，并分别对其接收灵敏度、指向性等参数进行有限元仿真分析。

最后，完成两款小型PVDF水听器样机的加工制作，介绍水听器测试方法并完成测

试系统的搭建。通过测试，得到小型PVDF平面水听器的实际接收灵敏度为-197.6dB，

与仿真结果-195.8dB相差1.8dB，几乎无指向性；小型PVDF圆柱水听器的实际接收灵

敏度为-201.8dB，与仿真结果-201.6dB相差0.2dB，无指向性。二者的自噪声级在1kHz

以下均小于45dB，低于零级海况下的海洋环境噪声级。基于小型PVDF平面水听器的

均匀分布线列阵DOA估计测试结果与实际声压信号入射方向基本一致。

哈尔滨工程大学硕士学位论文

关键词：小型PVDF水听器；PVDF平面水听器；PVDF圆柱水听器；水下无人航行器

用于UUV低频声呐系统的小型PVDF水听器研究

ABSTRACT

UnmannedUnderwaterVehicle(UUV)hasthecharacteristicsofstrongconcealment,wide

workingrange,andtheabilitytoperformlong-termworkunderwater,anditwillplayan

importantroleinfuturenavalwarfare.AsthedevelopmentofUUVtendstobelarger,the

increaseofitsscaleandtheincreaseofitsloadmakeitpossibletomountthesidearraya