近期，美国麻省理工学院（MIT）林肯实验室开发出一款新型MEMS水听器，这是一款以商用MEMS麦克风为核心构建的水听器。该MEMS水听器体积远小于传统的商用水听器，成本也大幅降低，但灵敏度却与之相当甚至更优。

该MEMS水听器以商用MEMS麦克风为核心部件

林肯实验室先进材料与微系统小组的项目负责人Daniel Freeman表示：“水听器在各类水下传感与探测应用中不可或缺，各国海军对低成本水听器的需求一直很迫切，但此前没人尝试过利用MEMS麦克风来设计低成本水听器。我们的目标是在不牺牲性能的前提下，研发出尺寸更小、成本更低的水听器。”

水听器本质上是一种水下麦克风，能将机械声波转化为电信号，让人们得以“聆听”并记录海洋等水域中的声音信号。这些信号经后续处理与分析，可提供有关水下环境的重要信息。

微机电系统（MEMS）器件是一类集成了传感、执行和处理功能的微型系统，特征尺寸通常处于微米量级，内部包含可通过微加工工艺实现的可动微结构，其典型产品包括MEMS麦克风、MEMS陀螺仪、MEMS加速度计等传感器。小巧的体积、低廉的成本使它们在智能手机、可穿戴设备、汽车等众多领域中发挥关键作用。

林肯实验室的项目最初获得资金支持研发新型水听器时，团队计划利用实验室的专长——微制造工艺来打造水听器。但实践后发现，这种方法成本过高、流程过于复杂，难以推进。这一障碍促使团队调整方向，转而以商用MEMS麦克风为核心搭建水听器。“我们必须找到一种低成本的替代方案，同时不降低性能，这也促使我们想到以MEMS麦克风为基础进行设计，据我们所知，这是一种全新的思路。”项目负责人Daniel Freeman解释道。

在与塔夫茨大学（Tufts University）的研究人员，以及合作伙伴SeaLandAire Technologies和Navmar Applied Sciences的协作下，团队通过特殊封装工艺开发出这款MEMS水听器：将MEMS麦克风封装在低透水性聚合物中，同时在MEMS麦克风振膜周围预留出空气腔。
团队面临的一个挑战是，封装结构和MEMS麦克风周围的空气腔可能导致信号大量损耗。经过大量仿真模拟、设计迭代和测试后，团队发现，空气腔造成的信号损失，可通过MEMS麦克风本身的灵敏度得到补偿。

截至目前，这项水听器合作研究已涵盖计算建模、系统电子设计与制造、原型样品生产以及校准和水池测试等多个环节。

今年7月，八名研究人员前往纽约州的塞内卡湖，对多款MEMS水听器进行测试。他们将MEMS水听器逐步下放至不同水深——最初为100英尺，之后逐步加深至400英尺。在每个水深位置，都会发射不同频率的声学信号，由MEMS水听器进行记录。

发射的信号事先经过校准，以便团队测量MEMS水听器在不同频率下的实际灵敏度。当声波撞击MEMS水听器振膜时，会产生电信号，该信号经放大、数字化处理后，传输至水面的记录设备，用于测试后的数据分析。测试中既使用了商用水下电缆，也采用了林肯实验室的光纤传感阵列。

“这是我们首次在深水环境中进行实地测试，因此是验证设备在真实环境中运行能力的重要里程碑——此前我们只在水箱中进行过实验。”Daniel Freeman说，“我们希望MEMS水听器的性能能与水箱测试结果一致——在水箱测试中，我们已验证其在不同频率和高静水压下的优异表现。”

深水环境中的测试结果十分理想：MEMS水听器的灵敏度和信噪比与最平静的海洋状态（即“海况零级”）仅相差几个分贝。而且，这种性能是在400英尺的深水、约40华氏度（约4.4摄氏度）的低温环境下实现的。

这款原型MEMS水听器尺寸小巧、功耗低且成本低廉，在众多商业和军事应用场景中都具有潜力。

“我们正在与美国国防部商讨该技术向美国政府及行业转化的相关事宜。”Daniel Freeman表示，“该MEMS水听器设计仍有优化空间，但我们认为已经证明了这款水听器具备坚固耐用、性能优良且成本极低的核心优势。”