《Photonics》：A Broadband Interferometric Fiber-Optic Hydrophone Enabled by a PPSU Mandrel and a Metamaterial Liner
编辑推荐：
摘要
干涉型光纤水听器凭借其高灵敏度、大动态范围和抗电磁干扰能力，被广泛应用于无源水下声探测系统中。然而，由于传统架构的工作带宽有限，其在有源声学系统中的应用受到很大制约。通过声-固耦合数值模拟，本工作识别出工作带宽瓶颈源于高模量圆筒结构的低阶机械共振，以及封
摘要
干涉型光纤水听器凭借其高灵敏度、大动态范围和抗电磁干扰能力，被广泛应用于无源水下声探测系统中。然而，由于传统架构的工作带宽有限，其在有源声学系统中的应用受到很大制约。通过声-固耦合数值模拟，本工作识别出工作带宽瓶颈源于高模量圆筒结构的低阶机械共振，以及封闭圆柱几何体内的声腔共振和近场散射。为克服上述限制，研究人员采用了一种优化的推挽式圆筒结构，其具有φ16 mm×16 mm的小型化外形，并采用低声学阻抗材料，以消除工作带宽内的机械共振。此外，在内管中集成了一层声学超材料内衬，以抑制散射和混响效应。样机实验表征结果表明，该水听器在20 Hz至31.5 kHz频带内的平均相位灵敏度为?132 dB re 1 rad/μPa，波动小于±1.5 dB。利用自研解调系统，该水听器在20 Hz频率处的最小可检测声压为42 dB re 1 μPa/√Hz（126 μPa/√Hz），在2 kHz以上为27 dB re 1 μPa/√Hz（22 μPa/√Hz），在20 Hz处仍低于深海零级海况环境噪声本底28 dB以上，从而验证了其无源声学监测能力。在2 kHz以上的高频区域，该水听器保持±1.5 dB的灵敏度平坦度，且在30 kHz处水平指向性变化仅为±1.51 dB，为宽带有源声学应用（包括有源声呐、水声成像和水声通信）提供了稳健的平台。上述结果为需要高保真无源监听和宽带有源探测的下一代双模式水声系统开辟了可行路径。
论文解读：基于PPSU圆筒与超材料内衬的宽带干涉型光纤水听器研究
一、研究背景与问题提出
干涉型光纤水听器(Fiber-Optic Hydrophone, FOH)凭借其高灵敏度、宽动态范围和抗电磁干扰等突出优势，已成为水下声探测领域的关键器件，在海洋监测、地震勘测及水下目标探测等无源系统中获得广泛应用。然而，FOH在有源声学系统（如有源声呐成像和水声通信）中的部署长期受限，其根本原因在于传统架构的工作带宽不足和频率响应平坦度欠佳。既有研究表明，该带宽限制主要源于以下三个方面的叠加效应：高模量圆筒结构的低阶机械共振、封闭圆柱几何体内的声腔共振，以及由此引发的近场声散射。尽管已有大量研究致力于提升FOH的灵敏度、复用能力和环境可靠性，但如何同时实现宽工作带宽、高灵敏度和平坦频率响应，仍是该领域悬而未决的核心挑战。因此，开展面向宽带化应用的FOH结构优化设计研究，对于推进下一代双模式水声系统的发展具有重要的科学与工程意义。
二、研究方法概述
研究人员通过声-固耦合数值模拟，首先建立传统构型FOH的多物理场模型，系统分析其带宽受限的机理。在此基础上，提出并制备了一种优化的推挽式圆筒结构：采用低声学阻抗的PPSU（聚苯砜树脂）替代铝合金7075作为圆筒骨架材料，同时引入内部加强支撑板以提升结构刚度，并在内腔中集成3D打印的ABS-M30声学超材料内衬。通过COMSOL Multiphysics 6.0软件对优化方案进行了频域仿真验证。实验表征依据国家标准GB/T 42559-2023执行，低频段（20 Hz–2 kHz）采用驻波管中传递函数比较法，以B&K 8103标准水听器为参考；高频段（2 kHz–31.5 kHz）在半消声水池中配合旋转平台完成灵敏度及指向性测量。此外，通过屏蔽声学激励的方式测量了系统的解调噪声本底，并据此计算最小可检测声压（Minimum Detectable Pressure, MDP）。
三、研究结果
1. 带宽受限机理的数值揭示
基于传统构型的仿真结果表明，FOH在10 kHz以下频率响应近似平坦，但高于10 kHz后灵敏度逐渐上升，至23 kHz附近出现峰值，随后下降。该峰值被确认为骨架的一阶机械共振模态。同时，近场声散射分析显示，2 kHz时水听器内腔声场均匀，而在28 kHz时出现显著共振现象，导致频率响应和指向性波动。上述结果为后续结构优化指明了方向。
2. 优化设计的仿真验证
采用PPSU圆筒、内部支撑板及声学超材料内衬的优化方案，在全频段20 Hz–31.5 kHz内实现了±1.5 dB以内的相位灵敏度平坦度，23 kHz处的有害共振被有效抑制。水平指向性方面，优化结构在整个工作带宽内正横与端射入射之间的峰峰变化小于±1.5 dB，相较于传统构型超过5 dB的严重指向性畸变，改善显著。
3. 样机实测结果
制备的样机外形尺寸为φ16 mm×16 mm。实测平均相位灵敏度为?132 dB re 1 rad/μPa，在20 Hz至31.5 kHz全频段内波动小于±1.5 dB，与仿真预测的峰峰偏差约3.0 dB。25 kHz处水平指向性峰峰变化低于2.0 dB（即均值±1.0 dB），30 kHz处为±1.51 dB。系统噪声本底分析表明，该水听器在20 Hz处的MDP为42 dB re 1 μPa/√Hz（126 μPa/√Hz），在2 kHz以上为27 dB re 1 μPa/√Hz（22 μPa/√Hz），在20 Hz处低于深海零级海况环境噪声本底28 dB以上。
四、讨论与结论
讨论部分指出，传统FOH的带宽限制主要源于机械共振和声散射，而PPSU骨架替代铝合金将一阶机械共振频率推升至工作带宽之外，声学超材料内衬则有效均匀化了内腔声场。与文献报道的典型宽带FOH相比，本研究在带宽扩展方面实现了数量级的提升。此外，研究也指出了若干实用化问题：PPSU在深水静压和变温环境下的长期稳定性有待验证；MDP受限于PGC解调系统噪声本底，未来可通过闭环相位跟踪或阵列级降噪进一步改善；向大规模复用拖曳阵列扩展时，需评估阵元间一致性和周期性内衬引入的阵元间声串扰。
研究结论确认，该优化原型在20 Hz至31.5 kHz范围内实现了平均?132 dB re 1 rad/μPa的相位灵敏度，波动低于±3.0 dB（对应均值±1.5 dB），相较传统圆筒设计实现了三倍带宽扩展。25 kHz处水平指向性峰峰变化小于2.0 dB，验证了圆柱散射的有效抑制。系统MDP在2 kHz以上为27 dB re 1 μPa/√Hz，20 Hz处为42 dB re 1 μPa/√Hz，在20 Hz处低于深海零级海况噪声本底10 dB以上。将聚合物基结构优化与亚波长声学内衬相结合，为兼顾低频静默接收与宽带有源声呐带宽需求提供了实用途径，为下一代海洋勘探、海底测绘及自主水下航行器声学载荷奠定了紧凑而稳健的平台基础。该成果发表于《Photonics》期刊。
