CN106597418B - 一种声透镜换能器阵列的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种声透镜换能器阵列的制作方法，所述制作方法包括：提供一设定曲率半径的弧面基板，所述弧面基板包括：第一表面及第二表面；在所述第一表面的水平方向依据设定间距依次设置设定形状的阵元，所述阵元组成线阵；在所述第一表面的垂直方向设置至少两条所述线阵，所述至少两条所述线阵组成面阵；在所述阵元之间填充聚合物胶；在形成所述面阵且完全填充所述聚合物胶的第一表面形成匹配层；在所述匹配层背离所述第一表面的一侧形成水密层；所述弧面基板的第二表面与金属底座粘结。通过该制作方法可以获得高增益的声透镜换能器阵列，且可以实现三维成像。
Description
技术领域
本发明涉及水中换能器技术领域，更具体地说，涉及一种声透镜换能器阵列的制作方法。
背景技术
随着科学技术的不断发展，在水下高清声成像、海上工程实施、港口监视、蛙人探测、水雷及雷型目标识别、水下航行器的避障及导航等应用中，声透镜换能器具有很重要的地位。
高增益的声透镜换能器是利用声透镜技术及1-3复合材料构型技术，在水平方向和垂直方向的波束输出主副瓣比高的换能器。对于较好的声图像来说，不仅仅需要声透镜换能器的窄波束，也需要声透镜换能器波束具有非常低的副瓣。
在现有技术中，声透镜换能器是通过长方形阵元组成的换能器线阵，在水平方向是直线阵，即水平方向的主副瓣比符合要求，但是在垂直方向，由于是长方形阵元，在有倾斜角存在时，副瓣接收的回波信号很强，无法满足垂直方向主副瓣比高的要求。
为了在垂直方向使主副瓣比高，现有技术通过将成品的声透镜换能器通过外力成立体弯曲型，并且在阵元之间填充聚合物时需要按照一定的聚合物填充形状进行填充，而这些操作对设备及工艺要求很高，且通过外力对成品的声透镜换能器进行施压，存在侧移及变形等问题。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种声透镜换能器阵列的制作方法，该制作方法可以解决现有技术中存在的问题，进而获得高增益的声透镜换能器阵列。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种声透镜换能器阵列的制作方法，所述制作方法包括：
提供一设定曲率半径的弧面基板，所述弧面基板包括：第一表面及第二表面；
在所述第一表面的水平方向依据设定间距依次设置设定形状的阵元，所述阵元组成线阵；
在所述第一表面的垂直方向设置至少两条所述线阵，所述至少两条所述线阵组成面阵；
在所述阵元之间填充聚合物胶；
在形成所述面阵且完全填充所述聚合物胶的第一表面形成匹配层；
在所述匹配层背离所述第一表面的一侧形成水密层；
所述弧面基板的第二表面与金属底座粘结。
优选的，在上述制作方法中，所述弧面基板的曲率半径为150mm。
优选的，在上述制作方法中，所述在所述第一表面的水平方向依据设定间距依次设置设定形状的阵元，所述阵元组成线阵包括：
所述设定形状的阵元为自中间至两端直径逐渐减小且对称形状的阵元，所述阵元包括：径向及轴向；
在所述第一表面的水平方向依据设定间距，按照所述阵元的径向依次设置所述设定形状的阵元；
其中，所述设定间距大于1.6mm，所述阵元的径向宽度为0.4mm，所述阵元的轴向长度为1.2mm。
优选的，在上述制作方法中，所述设定形状的阵元的材料为压电陶瓷材料或惰性聚合物材料。
优选的，在上述制作方法中，所述在所述第一表面的垂直方向设置至少两条所述线阵，所述至少两条所述线阵组成面阵包括：
所述面阵中任意一条线阵的扫描频率不同，用于在成像时进行分频扫描；
所述至少两条所述线阵均匀排布在所述第一表面上，且所述任意两条线阵中阵元相对设置。
优选的，在上述制作方法中，所述在所述阵元之间填充聚合物胶包括：
对所述聚合物胶进行抽真空处理；
对所述阵元之间的间隙进行抽真空处理；
将进行抽真空处理后的聚合物胶填充至进行抽真空处理后的间隙中，直至聚合物胶固态化，所述固态化的聚合物胶的厚度为1.35mm。
优选的，在上述制作方法中，所述匹配层的厚度为2mm。
优选的，在上述制作方法中，所述水密层的厚度为3mm，且所述水密层的形状为柱形弧面形。
优选的，在上述制作方法中，所述水密层的材料为聚氨酯材料。
通过上述描述可知，本发明提供的一种声透镜换能器阵列的制作方法，所述制作方法包括：提供一设定曲率半径的弧面基板，所述弧面基板包括：第一表面及第二表面；在所述第一表面的水平方向依据设定间距依次设置设定形状的阵元，所述阵元组成线阵；在所述第一表面的垂直方向设置至少两条所述线阵，所述至少两条所述线阵组成面阵；在所述阵元之间填充聚合物胶；在形成所述面阵且完全填充所述聚合物胶的第一表面形成匹配层；在所述匹配层背离所述第一表面的一侧形成水密层；所述弧面基板的第二表面与金属底座粘结。
相比较现有技术，本发明不再使用长方形阵元，通过设定形状的阵元使在垂直方向存在倾斜角时，主副瓣比也符合要求，在水平方向仍然是直线阵，主副瓣比符合要求。并且，直接提供设定曲率半径的弧面基板，在该弧面基板的表面按照要求对设定形状的阵元进行排列设置，不需要通过外力对成品的声透镜换能器进行施压，进而不会发生侧移及变形等问题。并且，现有技术中换能器阵列都是由阵元组成的换能器线阵，而本发明提供的换能器阵列在垂直方向布置至少两条线阵形成面阵，实现了三维成像。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种声透镜换能器阵列的制作方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的一种声透镜换能器阵列的组成结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种声透镜的工作原理示意图；
图4为本发明实施例提供的一种声透镜换能器阵列的一体结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种声透镜换能器阵列在垂直方向形成的多波束示意图；
图6为本发明实施例提供的一种声透镜换能器阵列的垂直波束的主副瓣示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参考图1，图1为本发明实施例提供的一种声透镜换能器阵列的制作方法的流程示意图。该制作方法包括：
S101：提供一设定曲率半径的弧面基板，所述弧面基板包括：第一表面及第二表面。
参考图2，图2为本发明实施例提供的一种声透镜换能器阵列的组成结构示意图，也就是说，提供一设定曲率半径的弧面基板23，定义所述弧面基板23的弧面为第一表面，背离所述弧面的另一面为第二表面，如图2中所示的所述弧面基板23的放置状态，定义由上至下为垂直方向。
所述弧面基板23用于按照设定曲率半径固定阵元，还用于吸收声辐射以及减振降噪，且为了保证换能器阵列的耐压支撑，可选的，所述弧面基板23的材料为高密度聚氨醋泡沫材料。
参考图3，图3为本发明实施例提供的一种声透镜的工作原理示意图。声信号需要通过透镜到达换能器阵列，所述弧面基板23的曲率半径取决于最后一组或一个声透镜声线达到换能器阵列的距离，可选的，在本发明实施例中所述弧面基板23的曲率半径为150mm。
S102：在所述第一表面的水平方向依据设定间距依次设置设定形状的阵元，所述阵元组成线阵。
参考图4，图4为本发明实施例提供的一种声透镜换能器阵列的一体结构示意图，需要说明的是，该图4以部分透明显示，其中，所述设定形状的阵元为自中间至两端直径逐渐减小且对称形状的阵元41，所述阵元41包括：径向及轴向。
如图4所示，在所述第一表面的水平方向依据设定间距，按照所述阵元的径向依次设置所述设定形状的阵元41，最终所述阵元组成线阵，由于所述设定间距非常小，所以图4中显示每个阵元41之间没有明显的间距，但是其实每个阵元41之间是存在间距的。且图4中以五条线阵为例说明，对此并不作限定。
需要说明的是，在常规换能器使用过程中，换能器的工作频率为1MHz，为了满足换能器1MHz的工作频率，需要对阵元41的尺寸有一定的要求，通过利用阵元41的厚度振动，避免其强耦合振动区域。由于阵元41的径向尺寸与轴向尺寸较为接近时，其强耦合振动较强，不利于轴向方向(也就是垂直方向)的振动，因此需要将阵元41的径向尺寸尽可能的小于轴向尺寸。由于在1MHz的换能器中，阵元41之间的填充物的厚度为了满足使用要求，填充物的厚度为1.35mm，阵元41的径向尺寸需要小于最终填充物的厚度的三分之一。在本发明实施例中，同时结合考虑制备的可操作性以及换能器实际的工作频率，可选的，所述阵元41的轴向尺寸为1.2mm，径向尺寸为0.4mm，需要说明的是，所述阵元的径向尺寸为0.4mm为最大的径向尺寸，可以在满足频率要求的情况下减小其耦合振动。
需要说明的是，所述阵元41之间的设定间距取决于换能器工作过程中的水平方向上不同方向波束到达换能器的水平距离间距，该设定间距需综合考虑换能器设备的尺寸及制备的可操作性等，在本发明实施例中，可选的，所述设定间距大于1.6mm。
并且，所述阵元41的材料为压电陶瓷材料或惰性聚合物材料。由于，单独成分的陶瓷材料制作成的阵元会在径向和轴向方向上的振动会发生相互调制，而使用压电陶瓷材料或惰性聚合物材料制作成的阵元在径向和轴向方向上的振动耦合性很小，即不会相互影响。
为了保证阵元之间响应度的高度一致性，本发明实施例中，可选的，通过大片的压电陶瓷切割成设定形状的颗粒，该设定形状的颗粒即本发明中所述的阵元。
S103：在所述第一表面的垂直方向设置至少两条所述线阵，所述至少两条所述线阵组成面阵。
如图4所示，在步骤S102中，在所述第一表面的水平方向依据设定间距，按照所述阵元41的径向依次设置所述设定形状的阵元，最终所述阵元41组成线阵，图4中以五条线阵为例说明，也就是说，在所述第一表面的垂直方向设置了五条线阵组成面阵。需要说明的是，如图2所示，为了方便说明，将设置在所述弧面基板23第一表面上的面阵分离出来进行画图表示，定义为面阵层21。
需要说明的是，在本发明实施例中如图4所示，仅仅只是以五条线阵及由五条线阵组成的面阵为例说明，并不作限定。
相比较现有技术中由阵元组成线阵，本发明实施例进一步实现了由多条线阵组成面阵，进而实现了在换能器工作过程中的垂直方向的多波束三维成像探头，且任意一条线阵在垂直方向形成窄波束，且通过每一条线阵中阵元的设置角度等，可实现每一条线阵的扫描频率不同，用于在成像时进行分频扫描，参考图5，图5为本发明实施例提供的一种声透镜换能器阵列在垂直方向形成的多波束示意图，即多条线阵在垂直方向形成分频多波束，且为了便于理解，参考图6，图6为本发明实施例提供的一种声透镜换能器阵列的垂直波束的主副瓣示意图。
S104：在所述阵元之间填充聚合物胶。
如图2所示，在所述阵元按照要求设置好之后，由于每个阵元之间有设定的间距，则每一条线阵中阵元之间会存在间隙，且多条线阵均匀排布在所述第一表面上，则任意两条线阵之间也会存在间隙。
在对阵元之间的间隙进行填充聚合物胶时，首先需要对所述聚合物胶进行抽真空处理，防止所述聚合物胶中存在空气泡，再对所述阵元之间的间隙进行抽真空处理，是为了使每个阵元之间的间隙都完全填充所述聚合物胶，进而提高性能的一致性。为了方便说明，将设置在所述弧面基板23第一表面上的按照要求排列好的阵元且填充完成所述聚合物胶的结构分离出来进行画图表示，定义为聚合物胶层22。
由步骤S102可知，由于在1MHz的换能器中，阵元之间的填充物的厚度为了满足使用要求，填充物的厚度为1.35mm，因此在所述聚合物胶填充完成后的厚度为1.35mm。
相比较现有技术中通过一定的聚合物填充形状进行填充，本发明实施例提供的该聚合物胶的填充方法，通过先将阵元按照要求排布好之后根据阵元之间的间隙形状，在进行聚合物胶的填充灌注，该工艺相比较现有技术简单了很多很多。且在聚合物胶填充完成后，需进一步进行打毛处理，或者喷砂，但是需要控制操作的力度或气压，不能影响到最终的性能。
S105：在形成所述面阵且完全填充所述聚合物胶的第一表面形成匹配层24。
具体的，为了保证波束宽度内起伏在-3dB以下，同时为了获得更宽的带宽，通过在所述面阵且完全填充所述聚合物胶的第一表面形成匹配层24，可以进一步提高所述换能器阵列整体的性能。所述匹配层24采用多组分混合而成，且在本发明实施例中，可选的，所述匹配层24的厚度为2mm。
需要说明的是，在所述匹配层24的灌注过程中，首先需要对所述匹配层24进行抽真空处理，防止有空气泡的存在，还需要对形成所述面阵且完全填充所述聚合物胶的第一表面进行抽真空处理，及额外的加温处理，确保所述匹配层24的灌注质量。
S106：在所述匹配层24背离所述第一表面的一侧形成水密层25。
具体的，由于本发明实施例提供的换能器阵列当在水中进行使用时，或在换能器阵列性能测试时，需要对其换能器阵列进行水密处理，因此在所述匹配层24背离所述第一表面的一侧形成水密层25。其中，在本发明实施例中，可选的，所述水密层25的厚度为3mm；可选的，所述水密层25的材料为聚氨酯材料，且所述水密层25的外观设置如图2中25所示，为柱形弧面形。
S107：所述弧面基板23的第二表面与金属底座26粘结。
需要说明的是，在步骤S102及步骤S103中，当所述阵元按照要求设置，在所述弧面基板23的第一表面形成面阵后，需要对阵元的正负极进行走线处理，将每个所述阵元的正极均引出一根正极导线，将正极一侧粘结于所述水密层25的柱形弧面的表面，待胶层固化后，将阵元的负极共负，引出一根负极的导线。
通过上述描述可知，本发明不再使用长方形阵元，通过设定形状的阵元使在垂直方向存在倾斜角时，主副瓣比也符合要求，在水平方向仍然是直线阵，主副瓣比符合要求。并且，直接提供设定曲率半径的弧面基板，在该弧面基板的表面按照要求对设定形状的阵元进行排列设置，不需要通过外力对成品的声透镜换能器进行施压，进而不会发生侧移及变形等问题。并且，现有技术中换能器阵列都是由阵元组成的换能器线阵，而本发明提供的换能器阵列在垂直方向布置至少两条线阵形成面阵，实现了三维成像。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种声透镜换能器阵列的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
提供一设定曲率半径的弧面基板，所述弧面基板包括：第一表面及第二表面；
在所述第一表面的水平方向依据设定间距依次设置设定形状的阵元，所述阵元组成线阵；
在所述第一表面的垂直方向设置至少两条所述线阵，所述至少两条所述线阵组成面阵；
在所述阵元之间填充聚合物胶；
在形成所述面阵且完全填充所述聚合物胶的第一表面形成匹配层；
在所述匹配层背离所述第一表面的一侧形成水密层；
所述弧面基板的第二表面与金属底座粘结；
其中，所述在所述第一表面的水平方向依据设定间距依次设置设定形状的阵元，所述阵元组成线阵包括：
所述设定形状的阵元为自中间至两端直径逐渐减小且对称形状的阵元，所述阵元包括：径向及轴向；
在所述第一表面的水平方向依据设定间距，按照所述阵元的径向依次设置所述设定形状的阵元；
其中，所述设定间距大于1.6mm，所述阵元的径向宽度为0.4mm，所述阵元的轴向长度为1.2mm。
2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述弧面基板的曲率半径为150mm。
3.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述设定形状的阵元的材料为压电陶瓷材料或惰性聚合物材料。
4.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述在所述第一表面的垂直方向设置至少两条所述线阵，所述至少两条所述线阵组成面阵包括：
所述面阵中任意一条线阵的扫描频率不同，用于在成像时进行分频扫描；
所述至少两条所述线阵均匀排布在所述第一表面上，且所述任意两条线阵中阵元相对设置。
5.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述在所述阵元之间填充聚合物胶包括：
对所述聚合物胶进行抽真空处理；
对所述阵元之间的间隙进行抽真空处理；
将进行抽真空处理后的聚合物胶填充至进行抽真空处理后的间隙中，直至聚合物胶固态化，所述固态化的聚合物胶的厚度为1.35mm。
6.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述匹配层的厚度为2mm。
7.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述水密层的厚度为3mm，且所述水密层的形状为柱形弧面形。
8.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述水密层的材料为聚氨酯材料。
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2016
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