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系統識別號 U0026-0308201014583600
論文名稱(中文) 適用於小型水下載具使用之高感度水聽器製作與測試研究
論文名稱(英文) Development and Testing of a High-sensitivity Hydrophone for small-size Underwater Vehicle application
校院名稱 成功大學
系所名稱(中) 系統及船舶機電工程學系
系所名稱(英) Department of Systems and Naval Mechatronic Engineering
學年度 98
學期 2
出版年 99
研究生(中文) 張哲維
研究生(英文) Che-Wei Chuang
學號 p1697404
學位類別 碩士
語文別 中文
論文頁數 79頁
口試委員 指導教授-趙儒民
口試委員-林輝政
口試委員-涂季平
口試委員-梁卓中
中文關鍵字 壓電陶瓷  水聽器  PZT水聽器  超音波換能器  感度 
英文關鍵字 PZT  Hydrophone  Transducer  Sensitivity  Directivity 
學科別分類
中文摘要 低頻水聽器(200kHz以下)的應用十分廣泛。在水中聲學研究方面,可以應用於水下通訊、測距、水中定位與水下形貌量測等等。掌握水聽器的相關技術與自主研發的能力,對水下聲學研究和其他相關研究與應用具有舉足輕重的關鍵地位。此外市售的水聽器,其價格較為昂貴、功能無法客製化、體積大且不易於整合於其他量測工具。所以本研究之目的在於開發一種價格低、體積小以及感度高且能應用於水下環境之水聽器。在製程中採用壓電陶瓷材料(PZT)做為驅動元件,並加上鋁合金防水結構,最後比較市售水聽器的感度大小。在系統測試方面,以市售水聽器為聲波之激發源進行訊號的發射,將自製水聽器在不同頻率範圍下,進行聲場的量測,求得自製水聽器接收端的感度;透過增加訊號放大電路,提升自製水聽器接收端的感度,其感度比市售8104水聽器高出26.6dB。接著進行發方向性的特性量測,了解自製水聽器在接收時所能應用的範圍。最後整合LM1812超音波驅動電路,進行應用方面的測試。透過自製水聽器的開發,未來可以提供海洋研究及小型水下載具之避碰來使用,未來可進一步在水下做遠距離的通訊傳輸為最終目的。
英文摘要 Low-Frequency-Hydrophone (below 200 kHz) is widely used. In underwater acoustics researching, it can be applied to underwater communications, underwater acoustic positioning system and underwater geological surveying system, etc. Mastering hydrophone technology and capability of independent developing is an important key point on underwater acoustics research and other related research and application. Commercially available hydrophone is not only more expensive in price, but also function is not customized, bulky and not easy to integrate with other measurement tools.
This study is to develop an economical, small size hydrophone with high sensitivity for underwater application. The PZT ceramic piezoelectric material is used throughout the research for sensing and actuating purposes. An aluminum waterproof housing is also designed for underwater testing of the hydrophone. Characteristic comparison with the commercial type hydrophone is also provided.
While performing the system test, sound source is provided by the commercially available transducer. The sensitivity of the proposed hydrophone is calculated based on the comparison calibration method with a B&K 8104 hydrophone. In addition, a small size amplifier is also embedded inside the waterproof housing to improve its sensitivity. Directional character of the hydrophone is also provided.
Finally, the proposed hydrophone is integrated with the LM1812 ultrasound driven circuit, and a complete small size sonar system is thus built. This work can be used in the development of underwater autonomous vehicle as a collision avoiding system, and it possibly provides the basic of an underwater communication system.
論文目次 摘 要 I
Abstract II
誌 謝 III
目 錄 IV
表目錄 VII
圖目錄 IX
第一章 緒論 1
1.1 研究動機與目的 1
1.2 文獻回顧 2
1.3 論文架構 5
第二章 水聽器之基本特性 7
2.1 壓電材料 7
2.2 水聽器之組成 10
2.3 水聽器之感度 11
2.4 水聽器之方向性 14
第三章 高感度水聽器之製作 18
3.1 高感度水聽器之設計與需求 18
3.2 高感度水聽器製作流程 21
3.2.1 儀器之簡述 21
3.2.2 元件之簡述 22
3.2.3 製作流程 27
第四章 高感度水聽器之特性量測 31
4.1 水聽器感度之校正 31
4.1.1 水聽器感度量測系統架構與流程 31
4.1.2 水聽器感度之求法 44
4.2 水聽器之方向性檢測 50
4.2.1 方向性檢測系統架構與流程 50
4.2.2 方向性測試結果 51
4.3 自製水聽器應用與整合 54
4.3.1 比較不同操作頻率下訊號測試與結果 55
4.3.2 量測不同收發距離的訊號衰減之測試與結果 65
第五章 結論與未來展望 71
5.1 結論 71
5.2 未來展望 74
5.2.1 提升水聽器之製作品質 74
5.2.2 水下通訊之應用 75
5.2.3 小型水下載具之應用 75
參考文獻 76
自 述 79
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