實驗名稱：同振型三軸光纖矢量水聽器加速度靈敏度與指向性測試

研究方向：探索同振型三軸光纖矢量水聽器的結構設計與性能優化方法，研究聚焦于提升其加速度靈敏度和指向性指標以滿足水下聲信號探測的工程應用需求。具體分為兩個核心部分：首先基于有限元仿真方法，分析彈性體幾何參數（長度、球殼外徑、光纖繞制層數）對諧振頻率、聲壓靈敏度和加速度靈敏度的耦合影響規律，建立參數優化模型以平衡靈敏度與頻率響應特性；其次通過聲學水池實驗驗證設計性能，重點研究三軸正交懸掛系統對矢量水聽器振動傳遞的約束作用，并量化評估其加速度靈敏度（100Hz~1kHz頻段內穩定性）與指向性（“∞”字型圖樣對稱度及抑制旁瓣能力）的實際表現，最終形成小型化、高一致性的工程化封裝方案。

實驗目的：探究彈性體幾何參數（長度、外徑、光纖層數）對光纖矢量水聽器加速度靈敏度與諧振頻率的影響規律，及其在寬頻段（100Hz~1kHz）靈敏度穩定性和高指向性（“∞”型）的優化效果，為水下聲信號探測工程應用提供實驗支撐。

測試設備：低頻換能器，高頻換能器，ATA-L8B水聲功率放大器，標準聲壓水聽器，電荷放大器，示波器，信號發生器，解調板卡等

實驗過程：在聲學水池中采用三軸橡皮筋懸掛系統固定光纖矢量水聽器（Φ100mm），通過標準壓電水聽器與ATA-L8B功率放大器生成100Hz~1kHz激勵信號，利用解調板卡同步采集聲壓靈敏度數據，基于公式計算加速度靈敏度；針對指向性測試，以低頻/高頻換能器為聲源，通過三軸旋轉臺控制水聽器每10°步進，結合電荷放大器與示波器記錄X/Y/Z三軸聲壓響應，利用極坐標算法繪制“∞”型指向性圖，并通過頻譜分析提取主瓣抑制比（>25dB）與靈敏度波動范圍（±1.5dB），最終建立彈性體參數（長度16-25mm，外徑80-100mm）與性能指標的映射關系。

圖1干涉型光纖水聽器原理圖

實驗結果：指向性測試中，三軸正交懸掛系統下X/Y/Z軸指向性分別達27.2dB、26.7dB、26.2dB，主瓣抑制比達26dB，旁瓣能量衰減>15dB，且指向性圖呈現典型“∞”字型對稱分布（幅值偏差<±1.2dB），驗證了質量塊-彈性體解耦設計的有效性。進一步分析顯示，彈性體長度從25mm縮減至16mm時，聲壓靈敏度從-134.5dB線性下降至-138.8dB（降幅4.3dB），而諧振頻率提升23.1%，與有限元仿真結果誤差<5%，表明彈性體幾何參數對聲壓靈敏度和頻率響應具有顯著調控作用。最終，實驗驗證了該水聽器在加速度靈敏度（≥40dB）、指向性（>25dB）及頻段穩定性上的協同優化效果，為水下聲信號寬頻高精度探測提供了可靠的工程化設計依據。

圖2矢量水聽器懸掛系統圖片

圖3X、Y、Z軸加速度靈敏度

圖4X、Y、Z軸指向性圖

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圖：ATA-L系列水聲功率放大器指標參數

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審核編輯 黃宇