[发明专利]基于iTrack-UB系列超短基线水声定位系统的声头装置

说明书

技术领域

本发明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。

发明内容

针对上述技术问题，本发明结合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。

本发明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。