CN101311747A

CN101311747A - 一种合成孔径用宽带换能器

Info

Publication number: CN101311747A
Application number: CNA2007100995185A
Authority: CN
Inventors: 温建强
Original assignee: Institute of Acoustics CAS
Current assignee: Institute of Acoustics CAS
Priority date: 2007-05-23
Filing date: 2007-05-23
Publication date: 2008-11-26

Abstract

本发明涉及一种合成孔径用宽带换能器，包括外壳，安装于外壳内的支持板，安装在支持板中心的压电元件，所述压电灵敏元件由3－3结构复合压电陶瓷制成；固定在压电灵敏元件上侧的透声层；固定于外壳底部开口处的包裹层。本发明在整个结构中优化了压电灵敏元件，无需采用匹配层技术，避免了复杂难控的换能器工艺，整个系统简单、紧凑，但收发灵敏度不降低，与同结构、同频率下的常规压电陶瓷换能器灵敏度相近。本发明尤其适用于多单元组成的基阵。

Description

一种合成孔径用宽带换能器

技术领域

本发明属于水下探测和成像技术领域，具体地说，本发明涉及一种宽带换能器。

背景技术

合成孔径声纳(Synthetic Aperture Sonar，简称SAS)技术是在合成孔径雷达技术的基础上发展起来的，由于能够在小孔径阵上提高分辨率获取高质量的探测和图像，一直以来成为国内外竞相研究的重点。目前已广泛用于掩埋目标探测、水下失落物搜寻以及海底地貌测绘等各方面，其工作的原理主要是利用装有声基阵的载体在直线匀速运动中的信号作相干合成，从而得到比实际物理声阵大几倍的虚拟阵来获得高分辨率和高增益。采用这种技术时，需要阵元在横向(即垂直运动方向)上具有足够的宽带响应以保证可以采用脉冲压缩技术来提高横向的分辨率，因而宽带收发换能器的制作也就成为合成孔径声纳系统的一个关键技术所在。

宽带换能器结构形式的选取与工作频率密切相关。当工作频率高于100KHz时，纵阵结构的换能器由于尺寸过小而难以实现，采用较多的是厚度振动的单片型收发换能器。由于常规厚度振动的单片型换能器的灵敏元件工作时的频率与厚度是成反比的(灵敏元件的厚度频率与厚度的乘积是个常数，通常称之为厚度频率常数，压电陶瓷的厚度频率常数大致在1900Hz·m)，因此，频率越低，需要灵敏元件的厚度尺寸就会越大。常规灵敏元件采用的是压电陶瓷，它在制作过程需要进行直流高压的极化处理，就是在厚度方向加上一定时间的高直流电压。极化处理的直流电压大小与压电陶瓷元件的尺寸是成正比的。压电陶瓷元件的厚度越大，需要施加的直流电压越高，相应的电压设备会变得更复杂和要求更苛刻；另外一方面，压电陶瓷元件本身的耐压能力随厚度的增加是下降的，因此，极化电压越高越容易被击穿，导致成品率会特别低，甚至于完全无法制作出来。正是由于使用频率和元件尺寸及制作上的原因，制作100KHz-200KHz的厚度振动的单片型换能器是很困难的。比如，150KHz谐振频率的厚度振动的单片式换能器，采用常规灵敏元件压电陶瓷的厚度尺寸至少需要15mm左右，这超出了压电陶瓷元件10mm左右厚度的常规极化能力，结果往往不是极化不够充分导致压电性能较低，就是极化过程中压电陶瓷元件被大电压所击穿而完全无法制作出来。此外，为了实现带宽的拓宽，厚度振动的单片型换能器往往采用多模态耦合的匹配层技术，就是在换能器辐射面和水介质之间增加一层或多层具有一定声特性的阻抗匹配层。在实际制作带有匹配层的换能器时，由于增加了粘结或灌注匹配层的工序，整个换能器的工艺变得复杂和不容易控制。

发明内容

本发明利用复合的灵敏元件的低频率常数和低Q特点，克服现有技术制作100-200KHz频率下的常规灵敏元件的困难，同时避免采用复杂难控的匹配技术，从而实现一种结构简单紧凑、经济实用的合成孔径用宽带换能器。

为实现上发明目的，本发明提供的宽带换能器，包括外壳，安装于外壳内的支持板，安装在支持板中心的压电元件，所述压电元件由3-3结构复合压电陶瓷制成；固定在压电元件上侧的透声层；固定于外壳底部开口处的包裹层。

上述技术方案中，所述支持板为硬质泡沫塑料。

上述技术方案中，所述支持板与外壳底部之间形成空腔，该空腔由空气填充，起软障板的作用。

上述技术方案中，所述压电灵敏元件为圆片形或方形片，其上下表面分别连接导电线，所述导电线从外壳底部的水密包裹层引出。

上述技术方案中，所述外壳横截面为圆形。

上述技术方案中，所述压电灵敏元件的上下表面均具有导电银层。

上述技术方案中，所述外壳采用不锈钢材料制作。

上述技术方案中，所述透声层采用聚氨酯橡胶制成。

上述技术方案中，所述包裹层采用丁基橡胶制成。

上述技术方案中，所述压电元件的上表面连接信号线，下表面连接屏蔽接地线。

本发明具有如下的技术效果：

1、本发明所采用的压电灵敏元件为具有多孔结构的3-3复合压电陶瓷，其频率常数不到常规压电陶瓷的一半(约为800Hz·m)，因此，元件尺寸可以减薄一半以上，对于相应的高频元件在制作工艺上就很容易实现。

2、本发明所采用的压电灵敏元件，由于具有径向模式受到了复合形式的抑制，振动模态单一；此外由于声阻抗低使得制成换能器后的机械品质因素Q很低，其水下机械品质因素小于6，因而可以利用其自身的振动模式直接实现宽带，无需增加其他工序，工艺简单易行。

3、由于避免了现有匹配层展宽带宽的办法，因而克服了匹配层换能器阵元制作中所面临的苛刻技术条件，结构更加简单紧凑，经济上更加实用，尤其适用于多单元组成的基阵(如合成孔径声纳的基阵)。

4、本发明只通过改变压电灵敏元件材料，就实现了灵敏度不降低的情况下拓宽带宽，这为宽带换能器的设计提供了更大的空间。

附图说明

图1是本发明换能器的结构示意图；

其中：1为压电灵敏元件、2为支持板、3为屏蔽接地线、4为水密橡胶包裹层，5为电缆头，6为信号线、7为外壳，8为透声层

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地描述。

实施例1

如图2所示，一种工作频率在130KHz的合成孔径用的宽带换能器(3dB带宽在35KHz)，包括压电灵敏元件1、支持板2、屏蔽接地线3、水密橡胶包裹层4、电缆头5、信号线6、外壳7以及透声层8。外壳7为圆壳形，材质为不锈钢，压电灵敏元件1在硬质泡沫塑料支持板2的中心位置，在外壳7和支持板2间形成的空腔软障板，避免了金属外壳的多次反射、折射和散射对声场结构的影响，压电灵敏元件1选用3-3结构复合压电陶瓷圆片，尺寸为φ80×5.3mm。该灵敏元件是在陶瓷相基体中引入空气相，从而降低了介电常数和机械品质因子Q，此外，在适当致密度下，压电陶瓷的压电性能变化不大，其介电常数ε^T ₃₃＝800，机械品质因素Qm＝10(该机械品质因素Qm指的是空气中灵敏元件本身的品质因素)，压电性能d₃₃＝450PC/N。压电灵敏元件1的上表面与电缆头里的屏蔽接地线3焊接在一起，压电元件的下表面与电缆里的信号线6相连，压电元件的上下表面采用的是烧渗的导电银层，以便于接地线和信号线的牢固焊接。透声层8选用透声系数高的四氢呋喃-环氧丙烷二醇共聚醚型聚胺脂橡胶，后端(图2中为下端)的水密橡胶包裹层4采用丁基橡胶硫化而成。

在整个结构中优化了压电灵敏元件，无需采用匹配层技术，避免了复杂难控的换能器工艺，整个系统简单、紧凑，但收发灵敏度不降低，与同结构、同频率下的常规压电陶瓷换能器灵敏度相近(实施例1中的换能器发射灵敏度为162.5dB，接收灵敏度为-186dB)。在水下物体目标探测成像以及海底地貌测绘时对高分辨率和高灵敏度的要求日益提高，本发明在一定频率范围下，克服了原有技术匹配层工艺影响的不足，而且具有足够的宽带响应，保证了脉冲压缩技术的采用从而提高了水下探测成像时的横向分辨率。使用本发明时，可将多个换能器单阵元组装成大型基阵，制作成宽带合成孔径声纳。

本发明利用低Q的复合压电陶瓷元件自身的振动模式直接实现宽带，无需增加其他工序，避免使用复杂难控的匹配层技术，实现100KHz-200KHz的宽带换能器，结构简单紧凑，工程上更经济实用。

Claims

1、一种合成孔径用宽带换能器，包括外壳，安装于外壳内的支持板，安装在支持板中心的压电灵敏元件，所述灵敏元件由3-3结构复合压电陶瓷制成；固定在压电灵敏元件上侧的透声层；固定于外壳底部开口处的包裹层。

2、按权利要求1所述的换能器，其特征在于，所述支持板采用硬质泡沫塑料制成。

3、按权利要求1所述的换能器，其特征在于，所述支持板与外壳底部之间形成空腔。

4、按权利要求1所述的换能器，其特征在于，所述灵敏元件为圆片形或方片形，其上下表面分别连接导电线，所述导电线从外壳底部的包裹层引出。

5、按权利要求1所述的换能器，其特征在于，所述外壳横截面为圆形。

6、按权利要求1所述的换能器，其特征在于，所述压电灵敏元件的上下表面均具有导电银层。

7、按权利要求1所述的换能器，其特征在于，所述外壳采用不锈钢材料制作。

8、按权利要求1所述的换能器，其特征在于，所述透声层和包裹层采用橡胶制成。

9、按权利要求4所述的换能器，其特征在于，所述压电灵敏元件的上表面连接信号线，下表面连接屏蔽接地线。