CN205246863U - 基于iTrack-UB系列超短基线水声定位系统的声头装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于iTrack-UB系列超短基线水声定位系统的声头装置，包括发射换能器、接收换能器、电子仓和电路板，发射换能器采用极化方向相同的两个半球以并联的连接方式组装，接收换能器采用极化方向相反的两个半球以串联的连接方式组装，以提高其接收灵敏度，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，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。本案结合iTrack-UB系列超短基线水声定位系统对声头要求，使声头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≥180°，有效提高了声头的探测范围及定位精度。

Description

基于iTrack-UB系列超短基线水声定位系统的声头装置

技术领域

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

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。

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。

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。

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。

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

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≥180°；有效提高了声头的探测范围及定位精度。

本实用新型通过以下技术方案来实现上述目的：

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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O型圈密封，便于声头在做测试时，方便安装和拆卸。

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。

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。

本实用新型的有益效果是：

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。

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。

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

图1为实用新型的结构示意图；

图2为实用新型发射换能器的结构示意图；

图3为实用新型接收换能器的结构示意图；

图4为测量发射换能器的发送电压响应曲线；

图5为测量接收换能器的接收灵敏度级曲线；

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

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。

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“O”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Φ90mm×82mm，接收换能器3的压电陶瓷球尺寸的为Φ30mm×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。

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，其他方向均无指向性，具有较高的发送电压响应；接收换能器3内的电缆线串联连接，此种连接方式，使接收换能器整球工作时，水平方向无指向性，垂直方向除螺杆方向，其他方向均无指向性，具有较高的接收灵敏度。

更进一步地，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，影响测量结果，在电子仓4下方设置吸声层8，吸声层8包括吸声材料和水密层，其中吸声材料采用橡胶阻尼板，厚度自定，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，厚度自定；吸声层的设置可同时达到吸声、防水和固定三种效果。吸声层厚度可为10mm，用橡胶为原材料进行切割钻孔，并与换能器接收和发射装置紧密配合，最外层在用灌封等方式进行处理实现该部分的水密功能。

压电陶瓷球6外表面涂覆有密封层9，密封层9将压电陶瓷球6和通孔螺杆5下端密封为一体。密封层9包括耐压层和水密层，耐压层内表面包裹压电陶瓷球6，耐压层外表面涂覆水密层。耐压层采用杨氏模量较低的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，耐压层的厚度自定；水密层采用聚氨酯橡胶材料，厚度自定。所述压电陶瓷球6与通孔螺杆5连接处设有去耦层10，去耦层10包括去耦垫和去耦管，所述去耦垫设置在压电陶瓷球6导线孔的上下端面上，去耦管套装在通孔螺杆6上；去耦层10用于通孔螺杆5与压电陶瓷球6和密封层9之间的振动隔离。

所述声头1还包括不锈钢保护罩11，采用316不锈钢材质，保护罩11固接在电子仓4下方的圆周位置，发射换能器2和接收换能器3位于保护罩11内，保护罩11能更好的保护发射换能器2和接收换能器3不受到物理伤害。

所述声头1还包括法兰后盖12，法兰后盖12固定连接在电子仓4顶部，通过O型圈密封，便于声头在做测试时，方便安装和拆卸。法兰后盖12带DN50法兰安装孔，方便声头在做测试的时候进行安装和拆卸，法兰盘连接杆上平均分布3个50mm*50mm的方孔，方便安装水密接头和减轻壳体重量。

本实用新型选择利用换能器耐压外壳和压电陶瓷自身承压相结合的结构达到耐高静水压力，换能器形状选择球形，因为球形的耐压能力很强，换能器采用开孔螺杆进行结构固定，这样可以使发射和接收换能器都能够精确的固定在理论计算位置，结构更为稳定，受流体影响较小，不给后续的算法和校正引入误差，然后在压电陶瓷外面附加一个耐压层，这样就可以通过简单的结构设计达到耐高静水压力的效果。发射换能器采用极化方向相同的两个半球以并联的连接方式进行组装，使其具有较高的频率响应；接收换能器则采用极化方向相反的两个半球以串联的连接方式进行组装以提高其接收灵敏度，这种连接形式既保证了接收换能器无指向性的同时又提高了接收灵敏度；为了消除超短基线iTrack-UB系列水声定位系统声头电子仓对发射声波的反射，在电子仓下方放上了一层吸声材料，并用聚氨酯灌封，同时达到吸声、防水和固定三种效果。

如图4测量发射换能器的发送电压响应曲线，从图中可以看出本实用新型中的发射换能器在谐振频率处的发送电压响应为149dB，-3dB带宽较宽。如图5测量接收换能器的接收灵敏度级曲线，从图中可以看出接收换能器的接收灵敏度级最高为-194dB，起伏在3dB以内，稳定性好。因此，利用本实用新型提供的声头装置可满足超短基线iTrack-UB系列水声定位系统的各项性能要求。

本实用新型在满足超短基线iTrack-UB系列水声定位系统声头的指向性和声中心要求，同时具有耐高静水压力的特性，可以深水处稳定工作，定采用球形换能器，通过理论推导可以得到球形换能器在空气中的谐振频率，以及低频工作状态时球形水听器的静态理论求得其接收灵敏度，通过谐振频率和接收灵敏度能确定压电陶瓷球的尺寸。

谐振频率：

接收灵敏度：

。

超短基线iTrack-UB系列水声定位系统声头的制备和组装方法：

步骤1：首先将加工的各个结构件和压电陶瓷球用酒精清洗，去除油污，分别按照串、并联的方式进行引线；

步骤2：将去耦管套在通孔螺杆上，并在压电陶瓷球开孔的上下端面铺放上去耦垫，使用螺帽和螺杆将压电陶瓷上半球固定；

步骤3：使用环氧胶将上下半球粘接，并施加一定的应力，使其粘接均匀牢固；

步骤4：用丙酮清理陶瓷外表面，然后在压电陶瓷球表面均匀灌注一定厚度的环氧树脂耐压层，80℃固化8个小时或更多，然后脱模清理；

步骤5：用丙酮清理耐压层表面，将其置于灌注磨具中，进一步灌注聚氨酯橡胶作为水密层，80℃固化8个小时或更多，然后脱模清理；

步骤6：将吸声橡胶进行切割钻孔，铺放于电子仓下方，通过通孔螺杆将发射换能器和接收换能器固定在电子仓上，将其整体置于灌注磨具中，在吸声橡胶上灌注聚氨酯橡胶作为水密层，80℃固化8个小时或更多，然后脱模清理；

步骤7：安装法兰后盖和保护罩，即形成了超短基线iTrack-UB系列水声定位系统声头换能器。

以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，均应视为实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于iTrack-UB系列超短基线水声定位系统的声头装置，其特征在于：所述声头（1）包括发射换能器（2）、接收换能器（3）、电子仓（4）及电子仓内固定的电路板，所述发射换能器（2）是由两个极化方向相同的压电陶瓷半球（7）组装而成，接收换能器（3）是由两个极化方向相反的压电陶瓷半球（7）组装而成；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；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）通过该导线孔与压电陶瓷球（6）连接，电缆线贯穿导线孔和通孔螺杆（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，接收换能器（3）内的电缆线串联连接。

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声头装置，其特征在于：所述电子仓（4）下方设有吸声层（8）。

3.根据权利要求2所述的基于iTrack-UB系列超短基线水声定位系统的声头装置，其特征在于：所述吸声层（8）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（4）底面，水密层覆盖在该吸声材料上，水密层采用聚氨酯橡胶。

4.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声头装置，其特征在于：所述压电陶瓷球（6）外表面涂覆有密封层（9），密封层（9）将压电陶瓷球（6）和通孔螺杆（5）下端密封为一体。

5.根据权利要求4所述的基于iTrack-UB系列超短基线水声定位系统的声头装置，其特征在于：所述密封层（9）包括耐压层和水密层，耐压层内表面包裹压电陶瓷球（6），耐压层外表面涂覆水密层。

6.根据权利要求5所述的基于iTrack-UB系列超短基线水声定位系统的声头装置，其特征在于：所述耐压层采用浇注型环氧树脂材料，所述水密层采用聚氨酯橡胶材料。

7.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声头装置，其特征在于：所述声头（1）还包括不锈钢保护罩（11），保护罩（11）固接在电子仓（4）下方的圆周位置，发射换能器（2）和接收换能器（3）位于保护罩（11）内，保护罩（11）能更好的保护发射换能器（2）和接收换能器（3）不受到物理伤害。

8.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声头装置，其特征在于：所述声头（1）还包括法兰后盖（12），法兰后盖（12）固定连接在电子仓（4）顶部，通过O型圈密封，便于声头在做测试时，方便安装和拆卸。

9.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声头装置，其特征在于：所述压电陶瓷球（6）与通孔螺杆（5）连接处设有去耦层（10），去耦层（10）包括去耦垫和去耦管，所述去耦垫设置在压电陶瓷球（6）导线孔的上下端面上，去耦管套装在通孔螺杆（5）上。

10.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声头装置，其特征在于：所述压电陶瓷半球（7）通过环氧胶粘接组装成压电陶瓷球（6）。