基于iTrack-UB系列超短基线水声定位系统的应答器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于水声测量技术领域，涉及一种水声应答器，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应答器装置。
【背景技术】
[0002] 超短基线iTrack-UB系列水声定位系统，利用水声通信和水声定位技术可以广泛 运用于海洋勘探、海洋开发和军事等领域。应答器是超短基线水声定位系统的水下应答部 件，应答器由水声换能器部分和信号处理硬件电路部分组成。换能器的性能指标直接影响 定位系统功能的实现，对定位系统的测向、测距精度均有直接性影响。因此现有技术对换能 器提出了新的要求，要求其在不同水文测试环境下均具有稳定性能。而现有换能器技术的 缺陷和不足主要体现在以下几个方面：
[0003] a)换能器是配合超短基线定位系统的声头换能器使用，换能器采用收发合置的 工作机制，工作在发射模式时是用18~22kHz的频率段发送声波，工作在接收模式时是用 22~26kHz的频率段接收声波。这就要求换能器工作在发射模式时具有较高的发送电压响 应，工作在接收模式时具备较高且起伏小于ldB的接收灵敏度。上述要求对换能器在设计 上和制作工艺上有一定难度，如设计不当，很可能呈现出发送电压响应不高，且接收灵敏度 起伏较大，不能同时兼顾换能器的发射和接收模式的性能要求。
[0004] b)要求换能器发射电压响应和接收灵敏度在水平方向呈现无指向性，在垂直方向 呈现90°的开角。而由静水压力对换能器自身发射电压响应和接收灵敏度的影响，换能器 随着布放深度的不同，对换能器的发射电压响应和接收灵敏度在垂直方向指向性呈现开角 变化的趋势，因此其在垂直方向上可能不能满足90°开角，水平方向上呈现起伏增大的情 况，从而降低了换能器的性能，对于应答器的接收和发射信号造成影响；
[0005] c)换能器的应用场合，例如满足深水的探测，要求换能器及其壳体能够具有优异 的耐深水压力，现能满足在l〇〇〇m稳定工作。而要在更深水深应用，就对换能器在加工制作 及材料应用上有更高的要求。
【发明内容】
[0006] 针对上述技术问题，本发明提供了基于iTrack-UB系列超短基线水声定位系统的 应答器，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l〇〇〇m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。
[0007] 本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
[0008] -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：所述换能器由 PZT压电陶瓷圆管为换能材料制作，换能器安装在应答器壳体的顶部位置，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。
[0009] 作为本案的优化方案，所述应答器壳体的后盖底部设有入水检测电路，入水检测 电路通过电缆线与信号处理电路板连接。
[0010] 作为本案的优化方案，所述换能器和应答器壳体采用可拆卸式结构，便于安装。
[0011] 作为本案的优化方案，所述壳体内设有纵向支撑的装配支架，装配支架与壳体上、 下端盖的连接处设有绝缘衬垫，通过装配支架和绝缘衬垫保持壳体上、下端盖间的相对固 定。
[0012] 作为本案的优化方案，所述信号处理电路板通过固定支架安装在电子仓内。
[0013] 作为本案的优化方案，所述换能器外部灌注聚氨酯形成透声层。
[0014] 作为本案的优化方案，所述换能器和电子仓通过0形圈静密封来保证水密性。
[0015] 作为本案的优化方案，所述压电陶瓷圆管换能器在制作中利用ANSYS软件进行性 能仿真，仿真流程包括以下步骤：
[0016] 首先，从压电陶瓷圆管的实际模型出发，抽象出准物理模型；
[0017] 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；
[0018] 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。
[0019] 作为本案的优化方案，制作所述压电陶瓷圆管换能器的加工工艺具体包括以下步 骤：
[0020] a、换能材料压电陶瓷圆管的订制与测试清洗；
[0021] b、焊接压电陶瓷圆管的正负极引出线；
[0022] c、结构件清洗，换能器装配；
[0023] d、换能器灌注聚氨酯及电缆头连接；
[0024] e、换能器性能测试。
[0025] 本发明的有益效果是：
[0026] 1、换能器在制作阶段考虑到具体水下测试环境，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仔细斟酌，保证了耐静水压力和性能可靠性，使换 能器能够在水下l〇〇〇m以下稳定工作；
[0027] 2、应答器壳体及各部件水密性能良好，换能器和应答器主体采用可拆卸式设计， 使得换能器和应答器主体结构同时能够承受深水压力，可拆卸式设计为今后更换换能器和 硬件电路提供了便利；
[0028] 3、本发明的换能器工作在发射频率段18~22kHz时，带内发射电压响应达到 在133dB~136dB，起伏小于3dB ;工作在接收频率段22~26kHz时，带内接收灵敏度 在-194~-197dB ;换能器的水平方向无方向性，在垂直方向上有-6dB起伏，满足开角需 求；因此本应答器满足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。
【附图说明】
[0029] 图1为本发明的结构示意图；
[0030] 图2为ANSYS有限元软件仿真流程图；
[0031] 图3为换能器的加工工艺流程图；
[0032] 图中：1_壳体，2-换能器，3-信号处理电路板，4-供电电池，5-电子仓，6-电池仓， 入水检测电路，8_装配支架，9_绝缘衬塾，10-上端盖，11-下端盖，12-固定支架。
【具体实施方式】
[0033] 下面将结合附图及实施例对本发明及其效果作进一步阐述。
[0034] (3. 1)机械机构设计
[0035] 如图1所示，基于iTrack-UB系列超短基线水声定位系统的应答器，包括壳体1、信 号收发合置一体的换能器2、信号处理电路板3以及为信号处理电路板3提供电源的供电 电池4,换能器2安装在应答器壳体1的顶部位置，由PZT压电陶瓷圆管为换能材料进行制 作，通过以压电陶瓷为换能材料，增强换能器的内部了刚性，提高了其结构的可靠性，使得 换能器具有高耐静水压力的性能。换能器2外部灌注聚氨酯形成透声层，聚氨酯透声层的 添加能够保证换能器的水密性，能在水下长时间工作，且不会影响换能器的绝缘性；同时聚 氨酯的阻抗匹配和水接近，对声波的衰减很小，有利于声波在水中的传播。换能器2和应答 器壳体1采用可拆卸式的分立式结构安装，为今后更换换能器和硬件电路提供了便利；因 可拆卸式结构的结构稳定性较差，因此，本案中在壳体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1〇、11间的相对固定，保证了整体结构的稳固性。换能器2通过电缆线 与信号处理电路板3连接，信号处理电路板3通过固定