專(zhuān)利名稱：一種合成孔徑用寬帶換能器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于水下探測(cè)和成像技術(shù)領(lǐng)域，具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及一 種寬帶換能器。
背景技術(shù)：
合成孔徑聲納(Synthetic Aperture Sonar，簡(jiǎn)稱SAS)技術(shù) 是在合成孔徑雷達(dá)技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，由于能夠在小孔徑陣上 提高分辨率獲取高質(zhì)量的探測(cè)和圖像， 一直以來(lái)成為國(guó)內(nèi)外競(jìng)相研究 的重點(diǎn)。目前已廣泛用于掩埋目標(biāo)探測(cè)、水下失落物搜尋以及海底地 貌測(cè)繪等各方面，其工作的原理主要是利用裝有聲基陣的載體在直線 勻速運(yùn)動(dòng)中的信號(hào)作相干合成，從而得到比實(shí)際物理聲陣大幾倍的虛 擬陣來(lái)獲得高分辨率和高增益。采用這種技術(shù)時(shí)，需要陣元在橫向(即 垂直運(yùn)動(dòng)方向)上具有足夠的寬帶響應(yīng)以保證可以采用脈沖壓縮技術(shù) 來(lái)提高橫向的分辨率，因而寬帶收發(fā)換能器的制作也就成為合成孔徑 聲納系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)所在。
寬帶換能器結(jié)構(gòu)形式的選取與工作頻率密切相關(guān)。當(dāng)工作頻率高 于lOOKHz時(shí)，縱陣結(jié)構(gòu)的換能器由于尺寸過(guò)小而難以實(shí)現(xiàn)，采用較 多的是厚度振動(dòng)的單片型收發(fā)換能器。由于常規(guī)厚度振動(dòng)的單片型換 能器的靈敏元件工作時(shí)的頻率與厚度是成反比的(靈敏元件的厚度頻率與厚度的乘積是個(gè)常數(shù)，通常稱之為厚度頻率常數(shù)，壓電陶瓷的厚
度頻率常數(shù)大致在1900Hz !!])，因此，頻率越低，需要靈敏元件的
厚度尺寸就會(huì)越大。常規(guī)靈敏元件采用的是壓電陶瓷，它在制作過(guò)程 需要進(jìn)行直流高壓的極化處理，就是在厚度方向加上一定時(shí)間的高直 流電壓。極化處理的直流電壓大小與壓電陶瓷元件的尺寸是成正比 的。壓電陶瓷元件的厚度越大，需要施加的直流電壓越高，相應(yīng)的電
壓設(shè)備會(huì)變得更復(fù)雜和要求更苛刻；另外一方面，壓電陶瓷元件本身 的耐壓能力隨厚度的增加是下降的，因此，極化電壓越高越容易被擊 穿，導(dǎo)致成品率會(huì)特別低，甚至于完全無(wú)法制作出來(lái)。正是由于使用 頻率和元件尺寸及制作上的原因，制作100KHz—200KHz的厚度振動(dòng) 的單片型換能器是很困難的。比如，150KHz諧振頻率的厚度振動(dòng)的 單片式換能器，采用常規(guī)靈敏元件壓電陶瓷的厚度尺寸至少需要15皿 左右，這超出了壓電陶瓷元件lOram左右厚度的常規(guī)極化能力，結(jié)果 往往不是極化不夠充分導(dǎo)致壓電性能較低，就是極化過(guò)程中壓電陶瓷 元件被大電壓所擊穿而完全無(wú)法制作出來(lái)。此外，為了實(shí)現(xiàn)帶寬的拓 寬，厚度振動(dòng)的單片型換能器往往采用多模態(tài)耦合的匹配層技術(shù)，就 是在換能器輻射面和水介質(zhì)之間增加一層或多層具有一定聲特性的 阻抗匹配層。在實(shí)際制作帶有匹配層的換能器時(shí)，由于增加了粘結(jié)或 灌注匹配層的工序，整個(gè)換能器的工藝變得復(fù)雜和不容易控制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明利用復(fù)合的靈敏元件的低頻率常數(shù)和低Q特點(diǎn)，克服現(xiàn)有技術(shù)制作100 — 200KHz頻率下的常規(guī)靈敏元件的困難，同時(shí)避免采用 復(fù)雜難控的匹配技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的合成 孔徑用寬帶換能器。
為實(shí)現(xiàn)上發(fā)明目的，本發(fā)明提供的寬帶換能器，包括外殼，安裝 于外殼內(nèi)的支持板，安裝在支持板中心的壓電元件，所述壓電元件由 3 — 3結(jié)構(gòu)復(fù)合壓電陶瓷制成；固定在壓電元件上側(cè)的透聲層；固定 于外殼底部開(kāi)口處的包裹層。
上述技術(shù)方案中，所述支持板為硬質(zhì)泡沫塑料。
上述技術(shù)方案中，所述支持板與外殼底部之間形成空腔，該空腔 由空氣填充，起軟障板的作用。
上述技術(shù)方案中，所述壓電靈敏元件為圓片形或方形片，其上下 表面分別連接導(dǎo)電線，所述導(dǎo)電線從外殼底部的水密包裹層引出。
上述技術(shù)方案中，所述外殼橫截面為圓形。
上述技術(shù)方案中，所述壓電靈敏元件的上下表面均具有導(dǎo)電銀層。
上述技術(shù)方案中，所述外殼采用不銹鋼材料制作。 上述技術(shù)方案中，所述透聲層采用聚氨酯橡膠制成。 上述技術(shù)方案中，所述包裹層采用丁基橡膠制成。 上述技術(shù)方案中，所述壓電元件的上表面連接信號(hào)線，下表面連 接屏蔽接地線。本發(fā)明具有如下的技術(shù)效果
1、 本發(fā)明所采用的壓電靈敏元件為具有多孔結(jié)構(gòu)的3_3復(fù)合壓
電陶瓷，其頻率常數(shù)不到常規(guī)壓電陶瓷的一半(約為800Hz'm)，因 此，元件尺寸可以減薄一半以上，對(duì)于相應(yīng)的高頻元件在制作工藝上 就很容易實(shí)現(xiàn)。
2、 本發(fā)明所采用的壓電靈敏元件，由于具有徑向模式受到了復(fù) 合形式的抑制，振動(dòng)模態(tài)單一；此外由于聲阻抗低使得制成換能器后 的機(jī)械品質(zhì)因素Q很低，其水下機(jī)械品質(zhì)因素小于6，因而可以利用 其自身的振動(dòng)模式直接實(shí)現(xiàn)寬帶，無(wú)需增加其他工序，工藝簡(jiǎn)單易行。
3、 由于避免了現(xiàn)有匹配層展寬帶寬的辦法，因而克服了匹配層 換能器陣元制作中所面臨的苛刻技術(shù)條件，結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單緊湊，經(jīng)濟(jì) 上更加實(shí)用，尤其適用于多單元組成的基陣(如合成孔徑聲納的基 陣)。
4、 本發(fā)明只通過(guò)改變壓電靈敏元件材料，就實(shí)現(xiàn)了靈敏度不降 低的情況下拓寬帶寬，這為寬帶換能器的設(shè)計(jì)提供了更大的空間。


圖1是本發(fā)明換能器的結(jié)構(gòu)示意其中l(wèi)為壓電靈敏元件、2為支持板、3為屏蔽接地線、4為水 密橡膠包裹層，5為電纜頭，6為信號(hào)線、7為外殼，8為透聲層
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步地描述。 實(shí)施例1
如圖2所示， 一種工作頻率在130KHz的合成孔徑用的寬帶換能 器(3dB帶寬在35KHz)，包括壓電靈敏元件l、支持板2、屏蔽接地 線3、水密橡膠包裹層4、電纜頭5、信號(hào)線6、外殼7以及透聲層8。 外殼7為圓殼形，材質(zhì)為不銹鋼，壓電靈敏元件1在硬質(zhì)泡沬塑料支 持板2的中心位置，在外殼7和支持板2間形成的空腔軟障板，避免 了金屬外殼的多次反射、折射和散射對(duì)聲場(chǎng)結(jié)構(gòu)的影響，壓電靈敏元 件1選用3 — 3結(jié)構(gòu)復(fù)合壓電陶瓷圓片，尺寸為4)80X5.3mra。該靈敏 元件是在陶瓷相基體中引入空氣相，從而降低了介電常數(shù)和機(jī)械品質(zhì) 因子Q，此外，在適當(dāng)致密度下，壓電陶瓷的壓電性能變化不大，其 介電常數(shù)^33=800，機(jī)械品質(zhì)因素Qm二lO (該機(jī)械品質(zhì)因素Qm指的 是空氣中靈敏元件本身的品質(zhì)因素)，壓電性能d33 = 450PC/N。壓電 靈敏元件1的上表面與電纜頭里的屏蔽接地線3焊接在一起，壓電元 件的下表面與電纜里的信號(hào)線6相連，壓電元件的上下表面采用的是 燒滲的導(dǎo)電銀層，以便于接地線和信號(hào)線的牢固焊接。透聲層8選用 透聲系數(shù)高的四氫呋喃一環(huán)氧丙垸二醇共聚醚型聚胺脂橡膠，后端 (圖2中為下端)的水密橡膠包裹層4采用丁基橡膠硫化而成。
在整個(gè)結(jié)構(gòu)中優(yōu)化了壓電靈敏元件，無(wú)需采用匹配層技術(shù)，避免 了復(fù)雜難控的換能器工藝，整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、緊湊，但收發(fā)靈敏度不降 低，與同結(jié)構(gòu)、同頻率下的常規(guī)壓電陶瓷換能器靈敏度相近(實(shí)施例1中的換能器發(fā)射靈敏度為162.5dB,接收靈敏度為一186dB)。在水 下物體目標(biāo)探測(cè)成像以及海底地貌測(cè)繪時(shí)對(duì)高分辨率和高靈敏度的 要求日益提高，本發(fā)明在一定頻率范圍下，克服了原有技術(shù)匹配層工 藝影響的不足，而且具有足夠的寬帶響應(yīng)，保證了脈沖壓縮技術(shù)的采 用從而提高了水下探測(cè)成像時(shí)的橫向分辨率。使用本發(fā)明時(shí)，可將多 個(gè)換能器單陣元組裝成大型基陣，制作成寬帶合成孔徑聲納。
本發(fā)明利用低Q的復(fù)合壓電陶瓷元件自身的振動(dòng)模式直接實(shí)現(xiàn) 寬帶，無(wú)需增加其他工序，避免使用復(fù)雜難控的匹配層技術(shù)，實(shí)現(xiàn) 100KHz — 200KHz的寬帶換能器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，工程上更經(jīng)濟(jì)實(shí)用。
權(quán)利要求
1、 一種合成孔徑用寬帶換能器，包括外殼，安裝于外殼內(nèi)的支持板，安裝在支持板中心的壓電靈敏元件，所述靈敏元件由3 —3結(jié) 構(gòu)復(fù)合壓電陶瓷制成；固定在壓電靈敏元件上側(cè)的透聲層；固定于外 殼底部開(kāi)口處的包裹層。
2、 按權(quán)利要求1所述的換能器，其特征在于，所述支持板采用 硬質(zhì)泡沬塑料制成。
3、 按權(quán)利要求1所述的換能器，其特征在于，所述支持板與外 殼底部之間形成空腔。
4、 按權(quán)利要求1所述的換能器，其特征在于，所述靈敏元件為 圓片形或方片形，其上下表面分別連接導(dǎo)電線，所述導(dǎo)電線從外殼底 部的包裹層引出。
5、 按權(quán)利要求1所述的換能器，其特征在于，所述外殼橫截面 為圓形。
6、 按權(quán)利要求1所述的換能器，其特征在于，所述壓電靈敏元 件的上下表面均具有導(dǎo)電銀層。
7、 按權(quán)利要求1所述的換能器，其特征在于，所述外殼采用不 銹鋼材料制作。
8、 按權(quán)利要求1所述的換能器，其特征在于，所述透聲層和包 裹層采用橡膠制成。
9、 按權(quán)利要求4所述的換能器，其特征在于，所述壓電靈敏元 件的上表面連接信號(hào)線，下表面連接屏蔽接地線。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種合成孔徑用寬帶換能器，包括外殼，安裝于外殼內(nèi)的支持板，安裝在支持板中心的壓電元件，所述壓電靈敏元件由3-3結(jié)構(gòu)復(fù)合壓電陶瓷制成；固定在壓電靈敏元件上側(cè)的透聲層；固定于外殼底部開(kāi)口處的包裹層。本發(fā)明在整個(gè)結(jié)構(gòu)中優(yōu)化了壓電靈敏元件，無(wú)需采用匹配層技術(shù)，避免了復(fù)雜難控的換能器工藝，整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)單、緊湊，但收發(fā)靈敏度不降低，與同結(jié)構(gòu)、同頻率下的常規(guī)壓電陶瓷換能器靈敏度相近。本發(fā)明尤其適用于多單元組成的基陣。
文檔編號(hào)G01S15/00GK101311747SQ200710099518
公開(kāi)日2008年11月26日 申請(qǐng)日期2007年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年5月23日
發(fā)明者溫建強(qiáng) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所