用于 MEMS 向量水听器的声聚焦封装

在海浪之下更好地倾听

现代海洋充满了声音——从船舶发动机到海洋生物的活动，科学家依赖水下麦克风来理解这个嘈杂的世界。本文介绍了一种新的封装方式，使一种特殊类型的水下传感器能更清晰地听到微弱声源，并更精准地判断声源方向。通过重新设计让声音到达传感器的微小开口，研究人员将一个简单的保护罩变成了声学“透镜”，能够集中水下声音而不是削弱它。

为何有方向性的水下听觉很重要

传统的水下麦克风，称为标量水听器，主要测量声音的响度，而不确定其来源方向。向量水听器更进一步：它们被设计用来感知响度和方向，类似于生物的内耳或鱼类的侧线系统。这使它们在追踪船只、监测海洋生物和构建紧凑的水下导航系统方面非常有价值。但为了在恶劣的海洋环境中幸存，这些精密传感器必须封装在保护外壳内。现有的保护罩，例如钢网罩，能防水但也会散射并削弱入射声波，剥夺了传感器需要捕获的关键信号。

将保护罩变成声学透镜

作者提出了一种不仅仅起屏蔽作用的声聚焦封装。其核心是一个坚硬的尼龙罩，呈小圆顶状，开有许多从外侧宽到内侧窄的渐缩孔。在这个圆顶下面放置一个微加工的“仿生纤毛”——一个竖立在柔性梁上的微小杆，当周围水体受声波推动时会弯曲。与其让声波通过一组直孔泄漏，不如用这些渐缩通道挤压并重新定向入射波前，使声能在纤毛周围汇聚。实际上，罩体的几何形状放大了水体微粒在传感器最敏感位置的运动。

从理论与仿真到真实硬件

为了理解并优化这种聚焦效应，团队将声学理论与计算机仿真相结合。他们证明，当声波通过截面积收缩的通道时，窄端处流体颗粒的速度和加速度都会增加，从而提升弯曲纤毛所需的压差。COMSOL 仿真研究了入口与出口尺寸、渐缩孔的长度以及圆顶总体孔数如何影响这一增益。最佳性能来自相对较长的通道、显著缩小的出口开口以及圆顶较高的穿孔率。研究人员还比较了不同的罩材料——钢、铝和尼龙，发现尼龙较低的刚度与密度将结构共振推到更高频率，安全地超出了船舶噪声和许多重要海洋信号所在的 20–500 Hz 频段。

在水中验证设计

在确定尼龙罩设计后，团队用成熟的微加工技术制造了微型水听器，并在每片芯片上直接 3D 打印出纤毛。随后他们以三种配置测试同一传感器：完全裸露、被传统钢网罩覆盖、以及被新的尼龙声聚焦罩包覆。在受控的驻波水槽中，他们测量了每种版本在不同频率下的响应强度以及对方向的分辨能力。与其他两种方案相比，尼龙罩不仅没有降低信号，反而将灵敏度提升了约 6–8 分贝，并随频率呈现出干净且可预测的上升特性。其方向性“零点”——对不需要信号强烈抑制的角度——也更深，这意味着它能更清晰地区分来自不同方向的声音。

这对水下传感意味着什么

简单来说，研究人员已将微小水下“耳朵”的保护外壳变成了内置的声学放大镜。通过在尼龙圆顶上精心成形并排列渐缩开口，他们在不引入有害罩体振动的前提下，将低频水下声能集中到微米级传感器上。结果是一种紧凑的向量水听器，能够听到更多微弱信号并更准确地指示其来源，同时仍然足够坚固以适应真实海洋用途。这种“智能封装”方法或能使未来的水下监听系统更小、更灵敏，并更适合监测日益嘈杂的海洋环境。

引用: Cheng, Z., Zhang, G., Bai, Z. et al. Sound-focusing package for MEMS vector hydrophone. Microsyst Nanoeng 12, 111 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-025-01112-0

关键词: 水下声学, 向量水听器, 声聚焦, 渐缩孔径, 海洋传感