[發(fā)明專(zhuān)利]一種合成孔徑用寬帶換能器

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200710099518.5
• 申請(qǐng)日: 2007-05-23
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN101311747A
• 公開(kāi)（公告）日: 2008-11-26
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 溫建強(qiáng)
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所
• 主分類(lèi)號(hào): G01S15/89
• 分類(lèi)號(hào): G01S15/89;H01L41/113
• 代理公司: 北京泛華偉業(yè)知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 徐舒

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(chēng)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(xiàn)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100KHz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(chēng)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·m)，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15mm左右，這超出了壓電陶瓷元件10mm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(xiàn)，所述導(dǎo)電線(xiàn)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(xiàn)，下表面連接屏蔽接地線(xiàn)。

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。