深海声学应答释放器总体设计.pdf

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1、第32卷第2期2013年6月海洋技术OCEAN’rECHNOLOGYV01．32，No．2June，2013深海声学应答释放器总体设计贾立双，张选明，冯志涛，李家军(国家海洋技术中心，天津300112)摘要：目前，声学应答释放器是深海观测系统回收的主要装备，广泛用于海洋工程、国防建设等领域。主要阐述了目前国外声学释放器的发展情况和技术指标，并介绍了国家海洋技术中心自主研制的深海声学应答释放器的总体设计情况。关键词：声学释放器；水声换能器；声源级中图分类号：P716+．41文献标志码：B文章编号：1003-2029(2013)02-0090--04深海声学应答释放器是水声遥控系统中的一种常

2、用设备，属于水声通信应用范畴，是深海观测监测系统回收的核心设备。研制深海声学应答释放器可促进海洋服务保障技术发展，提升我国深远海观测监测能力，为深远海科学研究、海洋监测、海洋经济、海洋国防建设事业等领域提供支撑技术装备。1深海声学应答释放器简介深海声学应答释放器(以下简称释放器)是一种应用在海洋监测和海洋工程中，通过声学信号传递遥控指令，完成预定动作的遥控设备。以释放器在深海观测系统中应用为例：由于安全性、隐蔽性的要求，深海观测系统的主浮体通常位于海面以下几十米到几百米处，一般将释放器串联在深海观测系统的系留索中，完成测量任务后，操作人员使用甲板单元发射声学指令，释放器在收到声学释放指令

3、后，通过电机驱动释放机构完成释放，观测系统在浮力的作用下浮到水面(见图1)。图1释放器工作示意图收稿日期：2012—10-10基金项目：国家高技术研究发展计划(863计划)资助项目(2008AA092106)作者简介：贾立双(1980-)，工程师，主要从事海洋监测技术研究。目前国外深海声学释放器技术发展比较完善，研制了多型号的声学释放器产品，使用水深最深可达10000m；负载最大可达5t；工作时间最长可达5a。成熟产品包括美国Benthos释放器、美国ORE释放器、法国OCEANO释放器、英国Sonardyne释放器等。国内尚无可供工程应用的成熟产品。“十一五”期间，国家海洋技术中心在“

4、863”计划的支持下开展了深海高可靠性声学应答释放器的研制工作。2声传输损失计算释放器是一种应用水声通信技术的设备。进行释放器总体设计时，应用被动声呐方程来计算声波传输的距离与衰减。SI．—11．=NL—DI+DT(1)式中：SL为声源级；TL为传播损失；NL为背景噪声级；DI为接收指向性指数；DT为检测阈。所设计的释放器发射声源级(sL)为192dB，工作频率为12kHz，采用无指向性水声换能器收发信号，因此DI为零。对于传播损失TL，根据简化的球面波衰减模型，按照公式(2)进行估算：TL=2019r+arl0-3(2)a=o．1×if／(1们枷xfl／(4100+f计2．75×10-

5、4×舯．003(3)式中：r为声波传输的距离m)；口为吸收系数(dB／km)；厂为声波频率(kHz)。NL是海洋环境噪声级。海洋环境噪声级通常由实测数据确定，在计算中采用经验公式(4)进行噪声谱级估算。NblOl矿。1．7椰+55(4)式中矿为频率(kHz)；S为海况等级岱=0，1，2，⋯，9)。在低频阶段，11L是声波频率和传播距离的增函数，NL是频率的减函数。以3级海况、12kHz工作频率计算，NL为第2期贾立双。等：深海声学应答释放器总体设计9l55dB。参考wonT,曲线，设计释放器接收最小检测阈值为80dB。按式(3)计算n为1．5dB／km，则释放器声信号传输10km时，损失

6、为95dB，此时有SL-DT>TL，满足检测要求。3深海声学释放器技术参数根据声传输理论计算结果，考虑到低频宽带大功率水声换能器的制作难度和成本，参考国外同类产品性能指标，确定所研制释放器的主要技术参数为：(1)发射声源级：>192dB；(2)释放器工作频率：7—14kHz；(3)工作水深：6000m；(4)水平作用距离：浅海>10km；良好水文条件>28km；(5)编码形式：改进的FSK编码；(6)脉冲宽度：16mS：elmS；(7)待机时间：>2a；(8)释放载荷：>5t；(9)整体重量：<30kg。4深海声学应答释放器设计4．1水声换能器设计水声换能器是释放器的重要组成部分，它能将

7、水下的声信号与电信号完成互相转换。水声换能器性能的优劣直接影响释放器性能的好坏。所研制的水声换能器外封装层材料采用氯丁橡胶，氯丁橡胶是一种多用途弹性体，拥有优异的耐热性、耐老化性、耐油、耐水、耐溶剂性能、耐化学腐蚀性及良好的透声性；核心电声换能材料采用锆钛酸铅压电陶瓷环(见图2)，锆钛酸铅压电陶瓷是由铁电相的PbTi03和反铁电相的PbZr03构成的固溶体，它是一种最重要的压电陶瓷，现已发展成为PzI'基压电陶瓷系列；水声换能器内部