小型且经济实惠的水听器，让水下信号更清晰

麻省理工学院林肯实验室的研究人员开发了首个此类水听器，该设备基于一种简单的、商业上可获得的麦克风。该设备采用了一种常见的微加工工艺，称为微电机械系统（MEMS），体积显著更小，成本也低于现有水听器，同时灵敏度相当或更高。该水听器可能在美国海军、工业界以及科学研究领域中得到应用。

该项目的负责人、先进材料与微系统组的丹尼尔·弗里曼表示：“考虑到海军对低成本水听器的广泛兴趣，我们对这个设计之前没有人去追求感到惊讶。水听器在多种应用和平台的水下传感中至关重要。我们的目标是证明我们可以在不牺牲性能的情况下，开发出体积和成本都降低的设备。”

水听器本质上是一个水下麦克风，是一种将声波转换为电信号的仪器，使我们能够“听到”并记录海洋及其他水体中的声音。这些信号可以在后续进行分析和解读，提供关于水下环境的有价值的信息。

MEMS 设备是极其小型的系统——尺寸从几毫米到微米（比人类头发还要细）——具有微小的运动部件。它们被用于各种传感器，包括麦克风、陀螺仪和加速度计。MEMS 传感器的小尺寸使其在从智能手机到医疗设备的各种应用中变得至关重要。目前，市面上没有可用的水听器采用 MEMS 技术，因此团队开始研究这种设计是否可行。

在获得开发新型水听器的资金后，团队首先计划利用微加工技术，这是实验室的一个专业领域，来开发他们的设备。然而，这种方法被证明成本过高且过于复杂，难以继续进行。这个困难让团队改变了思路，围绕一款市售的 MEMS 麦克风来设计他们的水听器。“我们必须想出一种廉价的替代方案，而不牺牲性能，这就是我们围绕麦克风构建设计的原因，据我们所知，这是一种新颖的方法，”弗里曼解释道。

团队与塔夫茨大学的研究人员以及行业合作伙伴 SeaLandAire Technologies 和 Navmar Applied Sciences Corp. 合作，通过把 MEMS 麦克风封装在一种对水渗透性很低的聚合物里，同时在麦克风的振膜周围留出一个空气腔体（振膜是麦克风中对声波做出反应的部分），制作了水听器。

他们面临的一个关键挑战是可能会因包装和MEMS麦克风周围的空气腔而导致信号损失过多。在经过大量的模拟、设计迭代和测试后，团队发现，设备中引入空气造成的信号损失被MEMS麦克风本身的极高灵敏度弥补了。

到目前为止，这项合作涉及计算建模、系统电子设计与制造、原型单元制造以及校准器和池测试。

在七月份，八位研究人员前往纽约的塞尼卡湖测试各种设备。水下麦克风逐渐被降低到水中的不同深度——最初降到100英尺，然后逐渐降到400英尺。在每个深度，传输了不同频率的声学信号，以供仪器记录。

传输的信号经过校准至已知水平，以便测量水下麦克风在不同频率下的实际灵敏度。当声音撞击水下麦克风的振膜时，会产生一个电信号，该信号被放大、数字化后，传输到水面上的记录设备进行数据分析。团队利用了商业水下电缆以及林肯实验室的基于光纤的传感阵列。

“这是我们第一次在深水进行实地测试，因此是一个重要的里程碑，展示了在现实环境中操作的能力，而不是我们一直使用的水室，”弗里曼说。“我们希望我们的设备性能能够与我们在水箱中看到的相匹配，在那里我们在高静水压力下测试了多个频率。换句话说，我们希望这次测试的结果能验证我们在实验室测试中的预测。”

测试结果非常出色，显示灵敏度和信噪比在已知的最安静海况，即海况零的几个分贝之内。此外，这一性能是在深水中实现的，深度达到400英尺，温度也很低，约在40华氏度左右。

这种原型水下麦克风因其体积小、功耗低和成本低而在各种商业和军事领域有广泛应用。

弗里曼说：“我们正在与国防部讨论将这项技术转交给美国政府和相关行业。虽然设计上仍有一些优化空间，但我们相信已经证明了这种水下麦克风具有坚固、高性能和非常低成本的关键优势。”