CN110109123B - 一种水声高频相控阵的制备方法 - Google Patents

一种水声高频相控阵的制备方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110109123B
CN110109123B CN201910226913.8A CN201910226913A CN110109123B CN 110109123 B CN110109123 B CN 110109123B CN 201910226913 A CN201910226913 A CN 201910226913A CN 110109123 B CN110109123 B CN 110109123B
Authority
CN
China
Prior art keywords
printed board
flexible printed
silver layer
phased array
phase control
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201910226913.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110109123A (zh
Inventor
仲林建
黄东
董铭锋
钟琴琴
刘刚华
张凯
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
715th Research Institute of CSIC
Original Assignee
715th Research Institute of CSIC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 715th Research Institute of CSIC filed Critical 715th Research Institute of CSIC
Priority to CN201910226913.8A priority Critical patent/CN110109123B/zh
Publication of CN110109123A publication Critical patent/CN110109123A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110109123B publication Critical patent/CN110109123B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P5/00—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft
    • G01P5/24—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave
    • G01P5/241—Measuring speed of fluids, e.g. of air stream; Measuring speed of bodies relative to fluids, e.g. of ship, of aircraft by measuring the direct influence of the streaming fluid on the properties of a detecting acoustical wave by using reflection of acoustical waves, i.e. Doppler-effect
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S15/00—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems
    • G01S15/02—Systems using the reflection or reradiation of acoustic waves, e.g. sonar systems using reflection of acoustic waves
    • G01S15/50—Systems of measurement, based on relative movement of the target

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Multimedia (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Transducers For Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

本发明属于水声换能器领域，是一种水声高频相控阵的制备方法，其有源部分采用压电复合材料，在元件的缝隙中灌注聚合物，固化后对表面进行研磨，通过磁控溅射或者蒸镀的方式对表面进行电极处理，并对上下银层分别水平和垂直切割，粘接水平和垂直的印制板，利用印制板引出相控接线。本发明的优点为：制作工艺简单，相控接线方便，该换能器可应用于水下探测、声学海流测试及海上工程实施等。

Description

一种水声高频相控阵的制备方法
技术领域
本发明涉及水声换能器领域，主要是一种水声高频相控阵的制备方法。
背景技术
水声高频相控阵主要应用于声学多普勒计程仪，多普勒计程仪是船舶和水下航行器导航的重要设备，属于自主导航系统，独立工作，不需要外界辅助设备，可测量二维或三维对地、对水航速，提供海流信息，弥补GPS等导航设备的不足之处，特别是对鱼雷、AUV/UUV等水下航行器的导航，在目前水下导航系统中必不可少。
多普勒计程仪分为常规活塞阵多普勒计程仪和相控阵多普勒计程仪。常规活塞阵是由四个活塞型圆片换能器组成的斜正交结构的换能器阵(简称常规阵)。相控阵是由近千个小换能器组成的平面阵，在相同工作频率和波束宽度的条件下，相控阵与常规阵相比不仅具有体积小、重量轻适装性好的特点，而且具有测速精度与声速无关的特点，因而相控阵声学多普勒计程仪不需要对海水声速的高精度测量，其速度测量精度只与设备本身的处理精度、加工精度有关。
相控阵是收发合一的换能器阵，包括压电陶瓷元件和去耦材料，它有8路换能器，目前，相控的接线方式主要为：一个辐射面为公共负极，另一个辐射面水平和垂直方向各引出4路线，水平和垂直方向每间隔4行或4列进行并联，水平和垂直方向的引线在辐射面表面相互交错。相控工作时，对H1、H2、H3、H4以及V1、V2、V3、V4分别施加++--或者+-+-的相位(图1)，从而形成4个波束。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种水声高频相控阵的制备方法。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。一种水声高频相控阵的制备方法，相控阵换能器的有源部分采用压电复合材料，在压电陶瓷元件的缝隙中灌注聚合物，固化后对表面进行研磨，通过磁控溅射或者蒸镀的方式对表面进行电极处理形成上银层和下银层，对上银层水平切割形成上辐射面，在上辐射面粘接水平方向的柔性印制板A；对下银层垂直切割形成下辐射面，在下辐射面粘接垂直方向的柔性印制板B，通过柔性印制板A和柔性印制板B的引出相控接线进行相控；相控工作时，下辐射面的引线，X1，X2作为地线，X3，X4施加正相位；上辐射面的引线，Y3，Y4作为地线，Y1，Y2施加正相位。
作为优选，所述的柔性印制板A的引出相控接线与上银层水平切割方向一致，柔性印制板B的引出相控接线与下银层水平切割方向一致。
作为优选，对压电陶瓷元件进行切割，在阵元的缝隙中填充聚合物，在聚合物的灌注过程中，要首先对聚合物胶进行抽真空处理，同时，灌注时也需对其进行抽真空及加温处理，以保证每个阵元间均充满聚合物。
本发明的有益效果为：制作工艺简单，相控接线方便，该换能器可应用于水下探测、声学海流测试及海上工程实施等。
附图说明
图1为相控阵常规接线示意图。
图2为本发明的接线示意图。
图3为本发明的相控波束理论计算值示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍：
如图2所示，本发明公开了一种水声高频相控阵的制备方法，相控阵换能器的有源部分采用压电复合材料，在压电陶瓷元件的缝隙中灌注聚合物，固化后对表面进行研磨，通过磁控溅射或者蒸镀的方式对表面进行电极处理形成上银层和下银层，对上银层水平切割形成上辐射面，在上辐射面粘接水平方向的柔性印制板A；对下银层垂直切割形成下辐射面，在下辐射面粘接垂直方向的柔性印制板B，通过柔性印制板A和柔性印制板B的引出相控接线进行相控；所述的柔性印制板A的引出相控接线与上银层水平切割方向一致，柔性印制板B的引出相控接线与下银层水平切割方向一致。相控工作时，下辐射面的引线，X1，X2作为地线，X3，X4施加正相位；上辐射面的引线，Y3，Y4作为地线，Y1，Y2施加正相位(图2)，16元子阵最终的相位和幅度如表1和表2所示，相控结果如图3所示。
Figure GDA0002703294690000021
表1为16元子阵的相位幅度施加方法1
Figure GDA0002703294690000022
表2为16元子阵的相位幅度施加方法2
具体的实施方式分为以下几个步骤：
步骤1：阵元的设计
针对不同的工作频率，优化阵元的尺寸，利用阵元的厚度振动，避免其强耦合振动区域，通过调整横向尺寸，控制阵元的谐振频率，因横向尺寸与纵向振动尺寸较为接近时，其耦合振动较强，不利于厚度方向的振动，因此横向尺寸尽量小于厚度方向，同时，根据不同的工作频率设计阵元之间的间距。
步骤2：压电元件切割
根据工作频率和阵元的设计，选择合适尺寸的压电陶瓷元件，考虑收发共用，可选择PZT4材料，然后对压电陶瓷元件进行水平和垂直方向的切割。
步骤3：灌注聚合物
元件切割后，在阵元的缝隙中填充聚合物，在聚合物的灌注过程中，要首先对聚合物胶进行抽真空处理，防止空气泡的藏匿，同时，灌注时也需对其进行抽真空及加温处理，以保证每个阵元间均充满聚合物，提高性能的一致性。
步骤4：研磨及电极处理
为了得到设计的工作频率，对灌注好的压电复合材料进行上表面和下表面的研磨，将其厚度尺寸磨至设计尺寸，然后对表面进行清洁处理，利用磁控溅射或蒸镀方式制作银层，从而获得压电复合材料的正极和负极。
步骤5：电极切割
根据阵元及间距的设计，对电极进行切割，上表面水平切割，下表面垂直切割。
步骤6：粘接柔性印制板
在压电复合材料的上表面粘接水平方向的柔性印制板，在下表面粘接垂直方向的柔性印制板，印制板的引线方向与电极的切割方向一致，为保证两者的吻合，可通过模具进行定位控制，最终上下表面共引出8路引线。
步骤7：水密处理
为满足相控阵在水中的使用以及性能测试，对其表面进行水密处理，在外侧灌注一层3mm厚度的水密材料，材料为聚氨酯。
灌注后将换能器的8路导线通过带屏蔽的电缆引出，电缆与换能器金属后座之间通过水密电缆头连接。
可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本发明的技术方案及发明构思加以等同替换或改变都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种水声高频相控阵的制备方法，其特征在于：相控阵换能器的有源部分采用压电复合材料，在压电陶瓷元件的缝隙中灌注聚合物，固化后对表面进行研磨，通过磁控溅射或者蒸镀的方式对表面进行电极处理形成上银层和下银层，对上银层水平切割形成上辐射面，引出接线Y1、Y2、Y3、Y4，在上辐射面粘接水平方向的柔性印制板A；对下银层垂直切割形成下辐射面，引出接线X1、X2、X3、X4，在下辐射面粘接垂直方向的柔性印制板B，通过柔性印制板A和柔性印制板B的引出相控接线进行相控；相控工作时，下辐射面的引线，X1，X2作为地线，X3，X4施加正相位；上辐射面的引线，Y3，Y4作为地线，Y1，Y2施加正相位，每16元为一个循环子阵。
2.根据权利要求1所述的水声高频相控阵的制备方法，其特征在于：所述的柔性印制板A的引出相控接线与上银层水平切割方向一致，柔性印制板B的引出相控接线与下银层水平切割方向一致。
3.根据权利要求1所述的水声高频相控阵的制备方法，其特征在于：对压电陶瓷元件进行切割，在阵元的缝隙中填充聚合物，在聚合物的灌注过程中，要首先对聚合物胶进行抽真空处理，同时，灌注时也需对其进行抽真空及加温处理，以保证每个阵元间均充满聚合物。
CN201910226913.8A 2019-03-25 2019-03-25 一种水声高频相控阵的制备方法 Active CN110109123B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910226913.8A CN110109123B (zh) 2019-03-25 2019-03-25 一种水声高频相控阵的制备方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910226913.8A CN110109123B (zh) 2019-03-25 2019-03-25 一种水声高频相控阵的制备方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110109123A CN110109123A (zh) 2019-08-09
CN110109123B true CN110109123B (zh) 2021-01-12

Family

ID=67484568

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910226913.8A Active CN110109123B (zh) 2019-03-25 2019-03-25 一种水声高频相控阵的制备方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110109123B (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110743770A (zh) * 2019-10-09 2020-02-04 中国船舶重工集团公司第七0七研究所九江分部 一种高频复合材料测速换能器

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5852860A (en) * 1995-06-19 1998-12-29 General Electric Company Ultrasonic phased array transducer with an ultralow impedance backfill and a method for making
CN101657914A (zh) * 2007-04-11 2010-02-24 通用电气检查技术有限合伙人公司 用于超声换能器的声学堆栈及其制造方法
CN101965232A (zh) * 2008-01-09 2011-02-02 海浪科技有限公司 多频带声学换能器阵列
CN103033644A (zh) * 2012-12-17 2013-04-10 中国船舶重工集团公司第七一五研究所 一种二维相控阵
KR20130080084A (ko) * 2012-01-04 2013-07-12 한국표준과학연구원 굴곡면을 가지는 재료의 초음파 비파괴검사가 가능한 고분자재료 기반 유연한 위상배열 초음파 탐촉자
CN105708491A (zh) * 2014-12-03 2016-06-29 中国科学院深圳先进技术研究院 用于深脑刺激与神经调控的超声面阵探头及其制备方法
CN105880139A (zh) * 2015-02-06 2016-08-24 奥林巴斯科技美国公司 具有无焊接的堆叠接合组装的相控阵超声换能器
CN108284054A (zh) * 2017-12-28 2018-07-17 中国科学院声学研究所 一种压电陶瓷超声线性相控阵列换能器及其制备方法
CN108903975A (zh) * 2018-05-07 2018-11-30 华中科技大学 一种用于眼科的高频超声相控阵阵列及其制备方法
CN109273590A (zh) * 2018-06-29 2019-01-25 中国船舶重工集团公司第七〇五研究所 一种u型压电复合材料换能器的制作方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8706049B2 (en) * 2008-12-31 2014-04-22 Intel Corporation Platform integrated phased array transmit/receive module
CN102528266B (zh) * 2010-12-24 2014-03-05 中国科学院深圳先进技术研究院 超声阵列声头阵元的电路引线焊接方法
CN103278570A (zh) * 2013-06-13 2013-09-04 江苏大学 一种用于金属材料检测的超声相控线阵换能器及制作方法
CN106805994B (zh) * 2015-11-27 2020-02-18 中科绿谷（深圳）医疗科技有限公司 超声探头及其制备方法

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5852860A (en) * 1995-06-19 1998-12-29 General Electric Company Ultrasonic phased array transducer with an ultralow impedance backfill and a method for making
CN101657914A (zh) * 2007-04-11 2010-02-24 通用电气检查技术有限合伙人公司 用于超声换能器的声学堆栈及其制造方法
CN101965232A (zh) * 2008-01-09 2011-02-02 海浪科技有限公司 多频带声学换能器阵列
KR20130080084A (ko) * 2012-01-04 2013-07-12 한국표준과학연구원 굴곡면을 가지는 재료의 초음파 비파괴검사가 가능한 고분자재료 기반 유연한 위상배열 초음파 탐촉자
CN103033644A (zh) * 2012-12-17 2013-04-10 中国船舶重工集团公司第七一五研究所 一种二维相控阵
CN105708491A (zh) * 2014-12-03 2016-06-29 中国科学院深圳先进技术研究院 用于深脑刺激与神经调控的超声面阵探头及其制备方法
CN105880139A (zh) * 2015-02-06 2016-08-24 奥林巴斯科技美国公司 具有无焊接的堆叠接合组装的相控阵超声换能器
CN108284054A (zh) * 2017-12-28 2018-07-17 中国科学院声学研究所 一种压电陶瓷超声线性相控阵列换能器及其制备方法
CN108903975A (zh) * 2018-05-07 2018-11-30 华中科技大学 一种用于眼科的高频超声相控阵阵列及其制备方法
CN109273590A (zh) * 2018-06-29 2019-01-25 中国船舶重工集团公司第七〇五研究所 一种u型压电复合材料换能器的制作方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基于类1-3-2型压电复合材料高频水声相控阵换能器研究;鲜晓军 等;《重庆邮电大学学报（自然科学版）》;20160615;第28卷(第3期);第389-394页 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN110109123A (zh) 2019-08-09

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN102662166B (zh) 多模宽带圆弧阵换能器
CN105411623A (zh) 一种二维面阵列超声换能器及其制备方法
US9423382B2 (en) Test head for testing a workpiece having an ultrasonic transducer configuration containing a plurality of ultrasonic transducers and process for producing such a test head
CN111403593B (zh) 一种用于制作高频宽带高灵敏度水声换能器的敏感元件及其制备方法
US7518290B2 (en) Transducer array with non-uniform kerfs
JP2009022006A (ja) 改良形超音波トランスデューサ、バッキングおよびバッキング作製方法
CN104722469A (zh) 超声波换能器及其制造方法
CN111885455B (zh) 高频球形多指向性复合材料换能器
CN210690492U (zh) 一种奥氏体粗晶焊缝检测用1.8MHz双矩阵相控探头
US11397263B2 (en) Sonar system with acoustic beam reflector
CN110109123B (zh) 一种水声高频相控阵的制备方法
CN110109125B (zh) 球面聚焦相控参量阵声探测装置
CN102594278B (zh) 一种复合压电振子及其制备方法
CN106448644A (zh) 一种无指向性宽带大功率Janus水声换能器
CN104597438A (zh) 一种高频宽带大功率发射圆柱阵实现方法
JP6063289B2 (ja) 超音波振動子ユニットの製造方法
Hurmila et al. Ultrasonic transducers using PVDF
JP2018183426A (ja) 超音波撮像装置並びに超音波トランスデューサおよびその製造方法
CN111403594A (zh) 一种用于制作高灵敏度水声换能器的敏感元件及其制备方法
CN103033644A (zh) 一种二维相控阵
CN112495744B (zh) 一种八波束宽带相控阵换能器及其制备方法
EP3028772B1 (en) Ultrasonic probe and method of manufacturing the same
CN114728310B (zh) 用于换能器阵列中的磨削恢复的方法和系统
CN108076424A (zh) 一种全向高增益透镜换能器的设计方法和制备方法
Wang et al. Directivity theory and analysis of 2D capacitive micro-machined ultrasonic transducer array

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant