基于iTrack-UB系列超短基线水声定位系统的声头装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本实用新型属于水声测量技术领域，涉及一种水声声头装置，具体指一种能够满 足iTrack-UB系列超短基线水声定位系统要求的声头装置。
【背景技术】
[0002] 随着科学技术的进步，陆地资源的逐渐匮乏，人类对深海探索研究和开发将是21 世纪世界各国竞争的热点领域。而水声技术是水下地理测绘，水下资源调查，水中气候监 测，海洋生物保护，领土划分和现代航海安全保障、深海工程的核心技术。水下定位导航技 术是一切海洋开发活动和海洋高技术发展的基本前提，海洋领域的开发和军事需求推动了 水下高精度定位技术的发展，超短基线声学定位系统的应用开发和技术研究在现代化海洋 科学中起着重要作用。声学换能器是超短基线声学定位系统的眼睛，其性能的稳定直接决 定整个声学系统性能的稳定，然而其经常直接暴露在各种恶劣的环境中，是最易受到腐蚀 碰撞等损害。
[0003] 以海洋工程为例，地球表面约有70%以上为水所覆盖，海洋的最深点是马里亚纳海 沟，深度约为11034米，而太平洋的平均深度有4028米，如果要换能器工作在太平洋的平均 深度，则要换能器承受约40Mpa的静水压力。静水压力会使换能器材料的机电性能、无源材 料的声学和力学性能、结构材料的应力应变特性、电气构件的电气特性发生变化，不同静水 压电下水声换能器会有不同的电声性能。深水换能器包括发射换能器和接收换能器，一般 是由换能材料、无原材料、结构材料以及其他电气构件通过一定的结构组合而成。目前，换 能器耐压结构分为两种，一种是利用换能器耐压外壳或是压电陶瓷自身承压，另一种是在 换能器外壳内充油达到内外压力平衡。在设计和研制深水换能器时，耐高静水压条件下的 材料选择、工艺结构设计、仿真和测试是其技术关键，要综合考虑，才能保证设计和研制的 换能器在深水下的工作性能总是控制在误差允许范围内。
[0004] 较高的频率响应是声学换能器的一个重要指标，对于发射换能器，一般情况下，换 能器的发送电压响应是描述在一定频率和采取某种信号处理方法的情况下，换能器发射声 信号传播的距离亦即作用距离和单位时间内向水介质中辐射声能量多少的物理量;而对于 接收换能器而言，一般情况下，换能器的接收灵敏度是随频率变化的，是描述接收换能器可 以接收的最小声信号的大小的物理量。如果声学换能器具有较高的频率响应，则有力于远 距离探测，对弱小信号进行跟踪。
[0005] 指向性图是声学换能器的另一个重要指标。当一个发射换能器或接收换能器的线 度能和它所在介质中的声波波长相比拟时，它发射声场中的声压或接收到的声压随着方位 的不同具有一定的分布，则说明换能器具有指向性。而超短基线iTrack-UB系列水声定位系 统的声头换能器要求尽可能大范围的发射和接收声波，这就要求其发射换能器和接收换能 器水平方向和垂直方向半功率点波束开角尽可能的大，这样可以有效的提高探测范围，进 行精确定位。
[0006] 同种结构换能器提高其接收灵敏度的方法有很多种，一般可以分为三种:一种是 通过改变压电材料和结构材料的尺寸，因为换能器的接收灵敏度与压电材料的尺寸有直接 关系，而结构材料的存在对接收灵敏度有一定的影响;其次，可以通过不同的串并联方式来 提高其接收灵敏度，有些情况，同样尺寸的压电材料串联可以提高接收灵敏度，但会降低换 能器整体的电容量;第三种提高换能器接收灵敏度的方法，即是使用具有较高静压灵敏优 质的压电材料制作接收换能器。 【实用新型内容】
[0007] 针对上述技术问题，本实用新型结合iTrack-UB系列超短基线水声定位系统对声 头装置的要求，提供了一种基于iTrack-UB系列超短基线水声定位系统的声头装置，其在深 水工作具有高的稳定性能，发射换能器具有高度发送电压响应，接收换能器具有高的接收 灵敏度，且水平方向无指向性，垂直方向半功率点波束开角2 180° ;有效提高了声头的探测 范围及定位精度。
[0008] 本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：
[0009] 一种基于iTrack-UB系列超短基线水声定位系统的声头装置，所述声头包括发射 换能器、接收换能器、电子仓及电子仓内固定的电路板，所述发射换能器是由两个极化方向 相同的压电陶瓷半球组装而成，接收换能器是由两个极化方向相反的压电陶瓷半球组装而 成;发射换能器和四个接收换能器分别通过通孔螺杆固连在电子仓底面，发射换能器位于 中心位置，接收换能器围绕发射换能器均布在四周，且同一对角线上的通孔螺杆长度相等； 所述压电陶瓷半球的上半球顶端均开设有导线孔，通孔螺杆通过该导线孔与压电陶瓷球连 接，电缆线贯穿导线孔和通孔螺杆由压电陶瓷球引至电子仓，与电子仓内的电路板连接，所 述发射换能器内的电缆线并联连接，接收换能器内的电缆线串联连接。
[0010] 作为优化方案，所述电子仓下方设有吸声层，为了消除iTrack-UB系列超短基线水 声定位系统声头的电子仓对发射声波的反射作用。
[0011] 作为优化方案，所述吸声层包括吸声材料和水密层，其中吸声材料采用橡胶阻尼 板，将其铺设在电子仓底面下方，水密层覆盖在该吸声材料上，水密层采用聚氨酯橡胶;吸 声层的设置可同时达到吸声、防水和固定三种效果。
[0012] 作为优化方案，所述压电陶瓷球外表面涂覆有密封层，密封层将压电陶瓷球和通 孔螺杆下端密封为一体。
[0013] 作为优化方案，所述密封层包括耐压层和水密层，耐压层内表面包裹压电陶瓷球， 耐压层外表面涂覆水密层。
[0014] 作为优化方案，所述耐压层采用浇注型环氧树脂材料，既能降低耐压层的特性阻 抗，使声波更好的透射，又具有压力释放作用，对压电陶瓷球体起到一定的保护作用;所述 水密层采用聚氨酯橡胶材料。
[0015] 作为优化方案，所述声头还包括不锈钢保护罩，保护罩固接在电子仓下方的圆周 位置，发射换能器和接收换能器位于保护罩内，保护罩能更好的保护发射换能器和接收换 能器不受到物理伤害。
[0016] 作为优化方案，所述声头还包括法兰后盖，法兰后盖固定连接在电子仓顶部，通过 0型圈密封，便于声头在做测试时，方便安装和拆卸。
[0017] 作为优化方案，所述压电陶瓷球与通孔螺杆连接处设有去耦层，去耦层包括去耦 垫和去耦管，所述去耦垫设置在压电陶瓷球导线孔的上下端面上，去耦管套装在通孔螺杆 上;去耦层用于通孔螺杆与压电陶瓷球和密封层之间的振动隔离。
[0018] 作为优化方案，所述压电陶瓷半球通过环氧胶粘接组装成压电陶瓷球。
[0019] 本实用新型的有益效果是：
[0020] a)利用两个半球粘接形成整球形结构，并用通孔螺杆进行固定，外加耐压层达到 耐高静水压力和精确固定换能器，使等效声中心固定不变，工作性能稳定的效果。
[0021] b)接收换能器采取极化方向不同的两个半球通过串联连接，理论上达到水平方 向和垂直方向均无指向性，与相同尺寸极化方向相同的并联结构相比较具有较高的接收灵 敏度。
[0022] c)在超短基线iTrack-UB系列水声定位系统声头电子仓下方布置了吸声材料，并 用聚氨酯灌封，从而避免了电子仓结构块对声波反射，对定位数据采集产生影响，同时可以 对发射换能器作进一步的固定，使其更加牢固。
【附图说明】
[0023]图1为实用新型的结构不意图；
[0024] 图2为实用新型发射换能器的结构示意图；
[0025] 图3为实用新型接收换能器的结构示意图；
[0026]图4为测量发射换能器的发送电压响应曲线；
[0027]图5为测量接收换能器的接收灵敏度级曲线；
[0028]图中：1-声头，2-发射换能器，3-接收换能器，4-电子仓，5-通孔螺杆，6-压电陶瓷 球，7-压电陶瓷半球，8-吸声层，9-密封层，10-去耦层，11-保护罩，12-法兰后盖，13-螺帽。
【具体实施方式】
[0029] 下面将结合附图及实施例对本实用新型及其效果作进一步阐述。
[0030] 如图1、2、3所示，一种基于iTrack-UB系列超短基线水声定位系统的声头装置，所 述声头1包括发射换能器2、接收换能器3、电子仓4和电路板。电路板通过螺柱和螺帽固定在 电子仓底部，并采用"〇"型圈密封；电子仓4采用不锈钢，主要用于固定和保护声头的电路 板，电子仓4具有水密性能好，结构坚硬耐压强度高等特点，能够在水下500米深处进行正常 工作具有不漏水、不变形的特性。其中，发射换能器2是由两个极化方向相同的压电陶瓷半 球7组装成压电陶瓷球6,接收换能器3是由两个极化方向相反的压电陶瓷半球7组装成压电 陶瓷球6;发射换能器和接收换能器采用不同的压电陶瓷半球，电极分布在陶瓷球的内外表 面；压电陶瓷球6选用PZT系列陶瓷材料，发射换能器2的压电陶瓷球的尺寸为Φ90πιπιΧ 82mm，接收换能器3的压电陶瓷球尺寸的为Φ30πιπιΧ 24mm;本实用新型中将压电陶瓷球6分 为上下半球的形式，在上半球沿竖直的中心轴开孔作为导线孔，通孔螺杆沿导线孔进入球 体内，电缆线则通过穿孔螺杆引至电子仓，通过螺杆和螺丝将陶瓷球上半部分固定，压电陶 瓷半球7通过环氧胶粘接组装成压电陶瓷球6。
[0031] 发射换能器2和四个接收换能器3分别通过通孔螺杆5固连在电子仓4底面，发射换 能器2位于中心位置，接收换能器3围绕发射换能器2均布在四周，且同一对角线上的通孔螺 杆5长度相等，即位于同一对角线上的接收换能器3在同一高度平面上;所述压电陶瓷半球7 的上半球顶端均开设有导线孔，通孔螺杆5通过螺帽13与压电陶瓷球6连接，电缆线贯穿通 孔和通孔螺杆5由压电陶瓷球6引至电子仓4,与电子仓4内的电路板连接。所述发射换能器2 内的电缆线并联连接，此种连接方式使发射换能器整球工作时，水平方向无指向性，垂直方 向除螺杆方向，其