的电池仓6。因应答器要在1000米W下的海底保持正常工作，因此应答器壳体W及壳体内的 各部件要有良好的水密性能，电子仓5的主要特点是水密封性良好，与信号处理电路板3易 拆卸易安装易充电的特点；电池仓6主要用于固定和安装供电电池4,其主要特点是水密封 性良好，和电子仓5分开易拆卸易安装易充电等特点；换能器2和电子仓5通过0形圈静密封 来保证水密性。
[0026] 所述应答器壳体1的后盖上设有入水检测电路7,入水检测电路7通过电缆线与信 号处理电路板3连接。主要是为了降低应答器主体的能耗，当应答器投入水中时信号处理电 路和换能器被唤醒开始工作，当应答器离开水面暴露在空气中时信号处理电路开始休眠停 止工作。
[0027] 本实用新型在设计换能器的软件仿真流程和加工制作工艺上作出了相应的改进。 W达到iTrack-UB系列超短基线水声定位系统要求的发送电压响应、接收灵敏度W及指向 性的性能指标，在软件仿真阶段，针对不同规格的陶瓷尺寸进行有限元软件仿真，并对结构 进行优化，从而选择出最优的方案。
[00%] (3.2)原理验证及软件仿真
[0029] (3.2.1)压电陶瓷圆管自由振动理论分析
[0030] 径向极化压电陶瓷圆管，其平均半径为a,厚度为t，高度为1，如圆柱的轴和柱坐标 系的Z轴重合，则柱坐标系中的r，Θ，Z与笛卡儿坐标系中的的Z，X和y相对应。则此情况的d-型压电方程为
[0040]由压电方程推导出径向共振角频率方程为
[0041]
[0042] 径向极化的压电陶瓷圆管的开路接收灵敏度由边界条件决定，两端由盖帽固定， 其接收灵敏度推导为
[0043]
[0044] 从上述公式可W计算出压电陶瓷圆管在两端夹紧的边界情况下的接收灵敏度，理 论值计算得出大致在-196地。
[0045] (3.2.2)有限元软件ANSYS的性能仿真
[0046] 压电陶瓷圆管换能器在制作中利用ANSYS软件进行性能仿真，仿真流程具体包括 W下步骤：
[0047] 首先，从压电陶瓷圆管的实际模型出发，抽象出准物理模型；
[004引然后，根据物理模型生成有限元网格，合理调整有限元网格的密度，并设定分析类 型和添加载荷及边界条件，求解得到压电陶瓷圆管的发送电压响应仿真曲线、接收灵敏度 仿真曲线及水平和垂直指向性图；
[0049] 最后，利用软件的后处理工具提取答案，并根据结果反馈到具体问题中，进一步优 化设计，经过多次反复，得到最优方案。
[0050] 通过软件仿真得到换能器在空气和水中的阻抗导纳曲线、发射电压响应、接收灵 敏度W及指向性，仿真和换能器测试的性能指标主要参数有较好的一致性，则仿真结果验 证了可行性。
[0化1] (3.3)制作工艺
[0052] 应答器换能器的制作工艺主要包括压电陶瓷圆管的订购与测试，衬垫、支架、线 材、模具、测试连接头的加工制作，换能器的装配灌注。其中关键工艺有:压电陶瓷圆管的处 理，换能器的装配，换能器的灌注聚氨醋密封W及测试电缆的硫化。如图3所示，制作所述换 能器的加工工艺具体包括W下步骤：
[0053] a、换能材料压电陶瓷圆管的订制与测试清洗；
[0054] b、焊接压电陶瓷圆管的正负极引出线；
[0055] C、结构件清洗，换能器装配；
[0056] d、换能器灌注聚氨醋及电缆头连接；
[0化7] e、换能器性能测试。
[0058] W上实施例仅是示例性的，并不会局限本实用新型，应当指出对于本领域的技术 人员来说，在本实用新型所提供的技术启示下，所做出的其它等同变型和改进，均应视为本 实用新型的保护范围。
【主权项】
1. 一种基于iTrack-UB系列超短基线水声定位系统的应答器，包括壳体、换能器、信号 处理电路板以及为信号处理电路板提供电源的供电电池，其特征在于:所述换能器（2)由 PZT压电陶瓷圆管为换能材料制作，换能器(2)安装在应答器壳体(1)的顶部位置，其通过电 缆线与信号处理电路板(3)连接，所述信号处理电路板(3)固定在应答器壳体（1)的电子仓 (5)内，电子仓(5)底部为安装供电电池(4)的电池仓(6)。2. 根据权利要求1所述的基于iTrack-UB系列超短基线水声定位系统的应答器，其特征 在于:所述应答器壳体(1)的后盖底部设有入水检测电路(7)，入水检测电路(7)通过电缆线 与信号处理电路板(3)连接。3. 根据权利要求1所述的基于iTrack-UB系列超短基线水声定位系统的应答器，其特征 在于:所述换能器(2)和应答器壳体(1)采用可拆卸式结构，便于安装。4. 根据权利要求3所述的基于iTrack-UB系列超短基线水声定位系统的应答器，其特征 在于:所述壳体(1)内设有纵向支撑的装配支架(8)，装配支架(8)与壳体上、下端盖(10、11) 的连接处设有绝缘衬垫(9)，通过装配支架(8)和绝缘衬垫(9)保持壳体上、下端盖（10、11) 间的相对固定。5. 根据权利要求1-3任一所述的基于iTrack-UB系列超短基线水声定位系统的应答器， 其特征在于:所述信号处理电路板(3)通过固定支架(12)安装在电子仓(5)内。6. 根据权利要求1-3任一所述的基于iTrack-UB系列超短基线水声定位系统的应答器， 其特征在于:所述换能器(2)外部灌注聚氨酯形成透声层。7. 根据权利要求1-3任一所述的基于iTrack-UB系列超短基线水声定位系统的应答器， 其特征在于:所述换能器(2)和电子仓(5)通过0形圈静密封来保证水密性。
【专利摘要】本实用新型提供了一种基于iTrack-UB系列超短基线水声定位系统的应答器，包括壳体、换能器、信号处理电路板以及为信号处理电路板提供电源的供电电池，所述换能器由PZT压电陶瓷圆管为换能材料进行制作，换能器安装在应答器的顶部位置，其通过电缆线与信号处理电路板连接，所述信号处理电路板固定在应答器壳体的电子仓内，电子仓底部为安装供电电池的电池仓。本实用新型中换能材料采用压电陶瓷，并在换能器制作的软件仿真流程和加工工艺上作出了相应改进，保证了耐静水压力和性能可靠性，使换能器能够在水下1000m以下稳定工作；满足iTrack-UB系列超短基线水声定位系统对发送电压响应、接收灵敏度以及指向性的性能指标。
【IPC分类】G01S15/74, G01S7/521
【公开号】CN205157778
【申请号】CN201520969887
【发明人】刘运, 张玲丽, 罗宇, 张金海
【申请人】江苏中海达海洋信息技术有限公司
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2015年11月30日