本研究由威海北洋电气集团股份有限公司的辛菊盛（通讯作者）、刘伟以及山东省光纤智能传感网技术企业重点实验室的贺春芝共同完成，发表于《电子技术与软件工程》（electronic technology & software engineering）。
学术背景
光纤水听器（fiber optic hydrophone）是一种通过光纤实时采集水下声信号的传感器，具有频带宽、抗干扰强、灵敏度高及易于成阵的优势，是远距离水下监测的核心技术。随着水下无人潜航器（UUV）和无缆水下机器人（AUV）的发展，对小型化（外径≤15mm）、轻量化、高静水压耐受（MPa级）的拖曳细线阵需求迫切。然而，阵列直径缩减和声阵孔径增大会加剧流噪声与加速度噪声的干扰，对光纤水听器的结构与光路设计提出更高要求。本研究旨在开发一种满足UUV/AUV需求的超细光纤水听器，解决上述技术挑战。
研究流程与方法
工作原理与设计目标
光纤水听器基于Michelson干涉仪原理：水声信号引起弹性体微应变，缠绕其上的光纤通过相位调制解调声压信号。研究目标包括：
- 直径≤9mm，静水压耐受≥3MPa；
- 声压相位灵敏度（acoustic pressure sensitivity）>-155dB（20Hz~1kHz），加速度灵敏度（acceleration sensitivity）<-20dB（50Hz~400Hz）；
- 兼容12mm外径PU管装配。
结构设计与仿真
- 核心结构：采用空气腔单臂中心对称设计，信号臂骨架外径φ7.8mm，参考臂φ6mm，长度均为45mm；保护壳外径9mm，长度54mm。中心凸台弧形沟道设计可抑制拖曳抖动噪声。
- 材料选择：信号臂骨架选用屈服强度3.95×10⁸N/m²的2024-T361铝合金，厚度0.2mm。ANSYS仿真显示其可承受3.45MPa静水压（图4）。
- 光路优化：采用单臂膜片式干涉仪，使用FiberCore SM1500(4.2⁄50)光纤，宏弯损耗低至0.0001dB/km（绕制6mm骨架时）。
声学仿真与性能验证
- 共振频率：仿真结果为6.9kHz（图5），远超工作频段（20Hz~1kHz）需求，避免频率响应干扰。
- 声压灵敏度：通过有限元分析（ANSYS，网格尺寸0.25mm）模拟10Pa压力下光纤层形变（δr≈4.4×10⁻¹²m），计算灵敏度为-153.9dB（公式1）。
实验测试
- 测试条件：依据JJF（军工）154-2017和GB/T 4130-2017标准，水温17.3℃，深度0.100m。
- 结果：
- 声压灵敏度：-152.2dB~-154.6dB（图7），起伏±1.2dB；
- 加速度灵敏度：<-20dB（图8）；
- 3MPa静水压30分钟保压测试后性能无衰减。
主要结果与结论
研究成功研制了直径9mm的光纤水听器，其轻量化设计（总重未提及但结构紧凑）与高灵敏度满足了UUV/AUV拖曳细线阵的需求。仿真与实验数据高度吻合，验证了结构设计的合理性。尤其是加速度灵敏度的显著降低（<-20dB）和静水压耐受性（3MPa）使其适用于300米水深环境。
科学价值与应用亮点
- 技术创新：
- 空气腔单臂中心对称结构首次实现9mm直径下的高灵敏度与低噪声；
- 中心凸台设计有效抑制拖曳加速度噪声，为超细阵列设计提供新思路。
- 应用价值：为UUV/AUV的隐蔽探测与大范围水下监测提供了可靠传感器解决方案。
研究亮点
- 微型化突破：相比传统阵列，外径缩减40%以上；
- 多物理场耦合优化：结构、材料与光路协同设计，兼顾机械强度与声学性能；
- 实验验证全面：覆盖声压、加速度灵敏度及极端压力测试，数据完备。
本研究为光纤水听器在复杂水下环境中的应用树立了新标杆，其设计方法论对后续微型化传感器开发具有参考意义。