CN110177325A - 宽带电声换能器及宽带电声阵列 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种宽带电声换能器及宽带电声阵列。本发明揭示能够同时或顺序地形成多个覆叠声束的多频活塞换能器。在一个实施方案中，揭示能够同时或顺序地形成两个覆叠声束的双频活塞换能器。所述换能器由以不同频率操作的物理集成为单个多频配置的两个或多于两个电及声独立的活塞换能器组成。此单个多频配置由安置于较低频活塞换能器的孔口区内的高频孔口组成。另外，还揭示并入单个外壳内的多个双频活塞换能器，举例来说，其适用于ADCP及船舶/船只速度应用的测量。还揭示制造及使用前述多频活塞换能器的方法。
Description
优先权
本申请案主张2018年9月14日提出申请的具有相同标题的序列号为16/131,970的共同拥有且同在申请中的美国专利申请案的优先权权益，所述美国专利申请案主张2018年2月21日提出申请的具有相同标题的序列号为62/633,468的共同拥有且同在申请中的美国临时申请案的优先权权益，前述申请案中的每一者的内容以其全文引用方式并入本文中。
相关申请案的交叉参考
本申请案涉及2011年10月26日提出申请的标题为“多频2D相控阵列换能器(MultiFrequency 2D Phased Array Transducer)”的序列号为13/282,257的共同拥有的美国专利申请案，所述专利申请案主张2010年11月1日提出申请的具有相同标题的序列号为61/456,086的美国临时专利申请案的优先权权益，所述专利申请案中的每一者以其全文引用的方式并入本文中。
版权
本专利文献的揭示内容的一部分含有受版权保护的材料。如专利及商标局专利文件或记录中所显现，版权所有者不反对任何人对专利文献或专利揭示内容的摹真复制，但无论如何另外保留所有版权权利。
技术领域
本发明一般来说涉及声呐换能器，且在一个示范性方面中涉及用于测量水下水流随深度的变化的窄射束多频活塞声呐换能器，举例来说，声学多普勒水流轮廓仪(ADCP)系统。
背景技术
水下声呐换能器广泛用于不同类型的声学反向散射系统中来测量沿着窄声束的速度及/或距离。这些声纳中的一类采用单个圆盘换能器，其中活塞换能器产生法向于换能器面的单个辐射声束。图1中图解说明包含单个辐射面102的一种此类示范性现有技术活塞换能器100。这些活塞换能器100可独立地利用，或可在(举例来说)所谓的ADCP(声学多普勒水流轮廓仪)应用中与其它类似类型的活塞换能器组合地利用。ADCP系统可从(举例来说)水面船舶操作，其中测量遍及给定水柱的水流轮廓通常是合意的。然而，水面附近的水柱区域通常比较深水柱更具空间性、时间性且在速度上具有更大动态波动。因此，以比较深的较长范围区域高的空间、时间及速度分辨率测量换能器附近的较浅区域可为合意的。对于具有附近动态的水运动及较深的不那么动态的水运动的此类ADCP声纳应用，这些ADCP声纳系统当前通过利用以下装置操作而实现：(1)两个单独且相异的活塞型(“圆盘”)ADCP声纳，其处于两个四射束集，其中每一集的频率分离通常约为四倍；或(2)双频2D相控阵列换能器，例如2011年10月26日提出申请的标题为“多频2D相控阵列换能器”的序列号为13/282,257的共同拥有的美国专利申请案中所揭示的换能器，所述换能器主张2010年11月1日提出申请的具有相同标题的序列号为61/456,086的美国临时专利申请案的优先权权益，前述专利申请案中的每一者在上文以其全文引用的方式并入本文中。
然而，此等现有技术在以下方面受限：(1)每一操作频率下的带宽限于约百分之六(6％)；(2)上文提及的ADCP应用中所揭示的相控阵列换能器相比于前述四活塞集来说制造起来较昂贵；(3)其不可用于水面下系泊应用，其中系泊缆绳由于换能器前面的近场射束成形需要而安置于换能器前面；及(4)不可用于深海部署，这归因于多元件阵列的较低额定压力。因此，期望解决前述关注点的换能器设备。
发明内容
本发明通过提供经改善换能器设备以及制造及使用方法而解决前述需要。
在一个方面中，揭示一种用于在流体介质中产生声音的宽带电声换能器。在一个实施例中，所述宽带电声换能器包含多个圆盘换能器元件，其各自具有不同基础谐振频率，其中每一基础谐振频率具有独立表面区，且所述不同基础频率是所述多个圆盘换能器元件中的每一者具有不同尺寸及/或所述多个圆盘换能器元件中的每一者具有不同背衬层及/或前层以便产生表面振动以在远场中形成独立射束的结果。两个换能器体现于单频换能器的区内，且这两个换能器的辐射表面彼此独立。
在一个变体中，所述多个圆盘换能器元件包含第一圆盘换能器元件及第二圆盘换能器元件，其中所述第二圆盘换能器元件定位于所述第一圆盘换能器元件的第一孔口内，且所述第二圆盘换能器元件以高于所述第一圆盘换能器元件的谐振频率操作，使得所述第一圆盘换能器元件与所述第二圆盘换能器元件在所述远场中具有完全相同或几乎完全相同的射束宽度。所述两个换能器可彼此独立地配置且可彼此独立地操作。
在另一变体中，所述第一圆盘换能器元件及所述第二圆盘换能器元件各自包含大约50％的带宽，所述带宽比所述第一圆盘换能器元件及所述第二圆盘换能器元件的所述相应基础谐振频率高25％及低25％。
在又一变体中，所述多个圆盘换能器元件可在替代操作模式中(例如在ADCP应用中的窄带或宽带模式中)以相同谐振频率操作。
在又一变体中，所述多个圆盘换能器元件以轴对称方式对准，其中高度与半径纵横比小于1，以便沿着对称轴的方向且同时沿垂直于所述对称轴的方向产生声辐射。
在又一变体中，所述多个圆盘换能器元件囊封于由金属或塑料制成的杯状物中，所述杯状物准许基于相应压电元件的所述相应基础谐振频率的激励的声辐射。
在又一变体中，所述第二圆盘换能器元件是所述第一圆盘换能器元件的厚度的1/4，所述厚度差异贡献于所述完全相同或几乎完全相同的射束宽度。
在又一变体中，所述多个圆盘换能器元件电连接到发射装置以实现作为声源或声接收器的操作，所述声源或声接收器能够测量水下水流、检测给定水柱的深度及测量反向散射信号强度以检测水下物体。
在又一变体中，所述第二圆盘换能器元件可用于测量浅水中或接近于所述电声换能器的位置处的水下水流速度及方向，且所述第一圆盘换能器元件可用于测量距离所述电声换能器较远的位置处的水下水流速度及方向。
在又一变体中，所述多个圆盘换能器元件可在接近于所述流体介质的表面的深度处操作，且还可部署在至少2000m的深度处的较深处。
在又一变体中，所述多个圆盘换能器元件中的每一圆盘换能器元件可共同在从50kHz到3MHz变化的频率范围中操作且以为谐振操作频率的约25％的本地带宽操作。
在又一变体中，所述多个圆盘换能器元件可共同用作具有半无源材料的高功率装置。
在又一变体中，所述第一换能器元件由具有开放中心部分的平面活塞组成，且所述第二换能器元件位于此中心部分内，如图2中所展示。
在本发明的另一方面中，揭示一种供在声学多普勒水流轮廓仪(ADCP)应用中使用的多频换能器组合件。在一个实施例中，多频换能器阵列包含单个换能器组合件结构，其具有针对在水流轮廓的长范围内操作而优化的第一换能器集，及针对在较短范围内操作而以显著较高的空间、时空分辨率优化的第二换能器集。
在本发明的又一方面中，揭示制造或使用前述换能器组合件中的任一者的方法。
在依据本文中所提供的本发明考虑时，本发明的这些及其它方面将变得显而易见。
附图说明
依据下文在联合图式一起进行时所陈述的详细说明将更明了本发明的特征、目标及优点，其中：
图1是根据本发明的原理的现有技术单频活塞换能器的透视图。
图2是根据本发明的原理的双频活塞换能器的一个示范性实施方案的透视图。
图3是图2的示范性双频活塞换能器的透视图，其图解说明根据本发明的原理产生的射束。
图4图解说明根据本发明的原理的图2的双频活塞换能器的横截面图。
图5是根据本发明的原理的如图2中所展示的四(4)个双频活塞换能器的换能器集的透视图，其中每一活塞换能器以两(2)个声频操作。
图5A是根据本发明的原理的如图2中所展示的四(4)个双频活塞换能器的换能器集的平面图，其中每一活塞换能器以两(2)个声频操作。
图6是根据本发明的原理的以300kHz操作的图2的双频活塞换能器的两个换能器中的一者的所测量发射电压响应的曲线图。
图7是根据本发明的原理的以1,200kHz操作的图2的双频活塞换能器的两个换能器中的另一者的所测量发射电压响应的曲线图。
图8是根据本发明的原理的以300kHz操作的图2的双频活塞换能器的两个换能器中的一者的射束图案曲线图。
图9是根据本发明的原理的以1,200kHz操作的图2的双频活塞换能器的两个换能器中的另一者的射束图案曲线图。
图10是图解说明根据本发明的原理的图2的双频活塞换能器的各种测量数据的屏幕截图。
本文中所揭示的所有图属于亚奇科技公司(Rowe Technologies,Inc)2018年版权(Copyright 2018)所有。保留所有权利。
具体实施方式
现在参考图式，其中通篇中相似编号指代相似部件。
概述
本发明尤其提供能够同时或顺序地形成两个覆叠声束的双频活塞换能器。所述换能器由以不同频率操作的物理集成为单个多频配置的两个或多于两个电及声独立的活塞换能器组成。此单个多频配置由位于较低频活塞换能器的孔口区内的高频孔口组成。另外，还揭示且预期并入单个外壳内的多个双频活塞换能器以供在(举例来说)ADCP应用中使用。
示范性实施例的详细说明
现在提供本发明的设备及方法的各种实施例及变体的详细说明。虽然主要在声学多普勒水流轮廓仪(ADCP)应用的上下文中论述，但本文中所论述的各种设备及方法并不限于此。事实上，本文中所描述的设备及方法中的许多适用于其中多样的操作频率是有利的及其中多个换能器孔口也是重要的声纳应用中。举例来说，本文中所揭示的双频活塞换能器设备可用于确定浮游生物大小及分布、探鱼器、用于导航的多普勒速度计程仪及其它适合类型的声纳应用。
此外，虽然主要在具有两个相异换能器表面的双频活塞换能器的上下文中论述，但应了解，可在如本文中其它处描述的根据本发明的实施例的活塞换能器内体现额外换能器表面(即，三个(3)或多于三个)。另外，在许多例子中，关于特定实施方案所论述的特定特征可容易地适用于本文中所描述的一或多个其它所预期实施方案中。所属领域的技术人员鉴于本发明可容易地认识到，本文中所描述的特征中的许多特征拥有与其一起描述的特定实例及实施方案之外的较宽广效用。
多频活塞换能器
现在参考图2，详细展示且描述示范性双频活塞换能器200。双频活塞换能器200可与电子电路耦合以便实现作为声源及/或作为声接收器的操作，所述声源及/或声接收器尤其能够测量水流速度、给定水柱的深度以及用于检测水下物体。换句话说，本文中所揭示的双频活塞换能器200可发射声波且测量体积或表面反向散射信号强度以便确定(举例来说)给定水柱的深度。双频活塞换能器可包含可以两(2)个相异操作频率操作的两(2)个物理上相异且独立的圆盘换能器元件(或面)202、204。内换能器元件202可包含圆形面，而外换能器元件204可包含“甜甜圈”形面。在一些实施方案中，高频换能器元件202可经定大小以便具有不同于低频换能器元件204的基础谐振频率。换句话说，换能器元件中的一者可用于测量(举例来说)较接近于换能器面202的浅的深度处(例如，10cm处及以上或大约10cm处及以上)的反向散射强度，而另一换能器元件可用于测量较远离换能器面204的深度处(例如，350m处或大约350m处)的反向散射强度。
举例来说，换能器元件202可以大约一千二百(1,200)kHz的基础谐振频率操作，而换能器元件204可以大约三百(300)kHz的基础谐振频率操作。选择此四倍频率分离主要归因于两个不同频率的反向散射强度的共同差异(即，从这些频率中的每一者收集的测量值可与其它频率区分等)。然而，所属领域的技术人员鉴于本发明的内容将容易地了解，前述操作频率仅是示范性的且可容易地修改以在替代变体中具有其它基础谐振频率。举例来说，换能器面中的每一者以可在大约五十(50)kHz与三(3)MHz之间变化的频率(或位于其间的任何操作频率)操作将是合理的。此外，由于双频活塞换能器200的构造的本质，此换能器可在较接近于流体介质的表面的深度处以及在大约两千米(2,000m)的较大深度处操作。在一些实施方案中，相异且独立的圆盘换能器元件202、204可经配置而以相同(完全相同或几乎完全相同)频率范围操作。此完全相同或几乎完全相同范围可取决于待测量的表面区、测量范围及/或水下体积覆盖而为有用的。
在一些实施方案中，换能器元件202、204可由可经定大小以便具有不同基础谐振频率的单独电声换能器元件组成。这些换能器元件202、204可以轴对称方式对准，其中高度与半径纵横比小于1，以便产生沿着对称轴的方向的声辐射。电声(或机电)换能器元件202、204还可用作利用半无源材料的高功率装置。如所属领域的技术人员应理解，半无源材料不必直接连接到驱动换能器的电压源，但这些类型的材料产生的振动是有用的。这些换能器元件202、204中的每一者的基础谐振频率可取决于换能器元件202、204的直径以及相应换能器元件202、204中所使用的各种材料的深度(厚度)两者。举例来说，使用一千二百(1,200)kHz及三百(300)kHz的前述操作实例，这些换能器元件202、204的直径可等效于十(10)波长的基础谐振频率宽。此外，使用前述实例，换能器元件204的直径将为换能器元件202的直径大大约四(4)倍大。
在一些实施方案中，两个(或多于两个)相异换能器元件202、204可彼此独立地使用。换句话说，可并不总是需要两个换能器元件202、204同时操作，且在某些应用中换能器元件202、204独立操作可为有利的。举例来说，如果用户希望检测大约500m的深度处的水面，那么可仅使用低频换能器。然而，当用户朝向岸边(例如，在船舶或船只上)移动时，双频活塞换能器200的操作可随着深度变得较浅而从低频换能器切换到高频换能器。这允许在单个双频活塞换能器200中利用各种应用。双频活塞换能器200还可用于回声表征、河道流量及沉积物测量等等。此类使用情境是高度有用的，因为现有装置需要具有两个不同频率的两个单独系统来针对此类应用做出测量。换句话说，双频活塞换能器200具有在就空间、使用及搬运来说较高效的一个系统中提供这些类型的测量的益处。
图2中所展示的双频活塞换能器200可由产生所谓的半无源堆叠的多个层组成。举例来说，层206可由压电陶瓷圆盘组成；而层208可由低阻抗背衬材料(在稍后的章节中详述)组成；且层210可由高阻抗材料(例如，铝)组成。低阻抗背衬材料层208可由通过使用高性能环氧树脂制成的玻璃球合成泡沫组成。在一些实施方案中，背衬材料可由任何适合低阻抗材料(包含，举例来说，氨基甲酸乙酯等等)制成。高阻抗材料层210尤其为水下射束辐射提供完美边界条件。压电陶瓷层206可为堆叠中的唯一有源材料。在一些实施方案中，层206可覆盖有前层材料。前层材料帮助在较宽频率范围内将来自压电陶瓷的声音有效地辐射到水中。
作为另一实例，层210l、210h可由挡板材料(例如所谓的合成声阻尼材料(SADM))组成。SADM(及其它适合挡板材料)的使用可操作以用作致使换能器200将能量辐射到换能器表面前面同时最小化/消除沿其它方向的辐射的声挡板。另外，SADM的使用将双频活塞换能器200与其安装到的结构隔离。这些挡板材料可经选择使得其是轻量的，但提供高声隔离。如先前上文所提及，与(举例来说)2011年10月26日提出申请的标题为“多频2D相控阵列换能器”的序列号13/282,257的共同拥有的美国专利申请案中所描述的双频相控阵列相比，这些双频换能器200的构造还可允许在经增加的深度处操作，所述专利申请案的内容先前在上文并入。举例来说，前述多频2D相控阵列换能器包含切割换能器元件，这限制其部署在较大深度处的能力。虽然存在准许这些相控阵列换能器在较大深度处操作的技术，但将这些相控阵列换能器部署在较大深度处的制造成本可比本文中所描述的双频活塞换能器200高一数量级(或更多)。
现在参考图3，双频活塞换能器200的操作可导致透射(及/或接收)由相应换能器元件202、204形成的射束。举例来说，以较低频率操作会提供较大声纳范围214(例如，供在较深水柱深度处使用)，但可具有较小空间、速度及时间分辨率。相反地，以较高频率操作会具有较小范围212，但可在所述相应范围内提供较佳空间、速度及时间分辨率。相应范围212、214可取决于流体介质(例如，水)的状况以及所产生射束的谐振频率。理想地，所产生射束212、214两者将具有完全相同(或几乎完全相同)射束宽度θ。举例来说，在换能器元件中的一或多者内包含孔口可用于将射束的宽度(即，射束宽度θ)塑形。完全相同(或几乎完全相同)射束宽度可为重要的，因为将减少与所获得的测量相关的误差。另外，由射束在水下声穿透的体积将为相同或类似的，借此准许归因于不同所发射频率所测量的经反向散射散射强度的比较。换能器之间的此等完全相同(或几乎完全相同)射束宽度可对于宽带模糊分辨率、归因于低频操作而增加范围且归因于高频操作而增加分辨率是有用的。另外，可从振幅反向散射测量以及从声速轮廓获得更多有用信息。
所产生射束还可具有相对窄的射束宽度θ，这可取决于操作频率。举例来说，使用一千二百(1,200)kHz及三百(300)kHz的前述操作实例，θ的值可等于大约一点五度(1.5°)。换能器限于比标称操作频率高约百分之二十五(25％)或低百分之二十五(25％)。这与2011年10月26日提出申请的标题为“多频2D相控阵列换能器”的序列号为13/282,257的共同拥有的美国专利申请案中所描述的可限于约百分之六(6％)的带宽形成对比，所述专利申请案的内容在上文并入。
图4图解说明根据一些实施方案的在低频换能器内利用的各种组件。具体来说，低频换能器包含压电陶瓷层206l、低阻抗背衬材料层208l、高阻抗背衬材料层210l及匹配材料层216l。还应注意，压电陶瓷层206l具有连接到其的一对导线。所述对导线耦合到经配置以为低频换能器产生(及/或接收)射束的电子电路(未展示)。所述电子电路可进一步经配置以同时或独立地操作换能器元件。图4图解说明根据某一实施方案的在高频换能器内利用的各种组件。类似于低频换能器，高频换能器包含压电陶瓷层206h、低阻抗背衬材料层208h、高阻抗背衬材料层210h及匹配材料层216h。类似于上文对低频换能器的论述，高频换能器的压电陶瓷层2016h也耦合到经配置以为高频换能器产生(及/或接收)射束的电子电路(未展示)。还应注意，在一些实施方案中，图4的实施例中所图解说明的高频换能器的压电陶瓷层206h可进一步包含孔口207。在所图解说明的实施例中，此孔口207的目的是确保在所图解说明的实施方案中高频换能器202的射束宽度与低频换能器204的射束宽度匹配。
图4还图解说明图2的双频活塞换能器200的横截面图。具体来说，如图4中所展示，低频活塞换能器的换能器面206l的深度经展示为与低频面206l和高频面206h之间的谐振频率差成比例。举例来说，使用一千二百(1,200)kHz及三百(300)kHz的前述谐振频率，低频面206l的深度将为高频面206h的大约四(4)倍大。此外，层208l、208h及210l、210h的深度类似地在大小上随其谐振频率差成比例。由于这些成比例深度，这两个换能器面206l及206h的射束宽度大约相等。
换能器结构可包含容纳低频及高频换能器的所谓的杯状物。杯状物可由各种材料(包含，基于聚合物的材料、金属材料(经铸造、锻造或加工的)或用于既定应用的任何其它适合材料)制成。
图5图解说明可适合于ADCP应用的变体换能器阵列500。如所图解说明，换能器阵列500包含四(4)个相异双频活塞换能器200；但将容易地了解，在替代变体中可利用更多(五个或多于五个)或更少(三个或少于三个)双频活塞换能器。一般来说，更多换能器以相对小的递增处理成本给出额外数据点。这些额外数据点可降低从测量产生的所测量误差的水平。举例来说，误差速度可使用四(4)个双频换能器200测量；然而，误差速度可难以(或不可能)使用三个或少于三个换能器确定。双频活塞换能器200中的每一者可经定向使得双频活塞换能器200中的每一者与双频活塞换能器200中的其它者相比沿唯一方向定向(例如，在所谓的杰纳斯(Janus)配置中)。
双频活塞换能器200还有利地驻存于单个外壳502中。此外壳502可构成可由任何数目个适合材料(包含金属、聚合物或前述各项的组合)制成的“杯状物”。此换能器阵列500可准许基于压电元件的特定谐振频率的激励的声辐射型式。本文中存在图5中所展示的配置500的突出优点。即，多个双频活塞换能器200可使用单个船体穿透安装到水面船只的船体，从而使其安装相比于用于ADCP安装的现有安装技术更容易且更具成本效益。图5A图解说明包含四个换能器结构的换能器阵列500。应注意，所图解说明的换能器阵列是以杰纳斯配置布置以供与(举例来说)ADCP应用一起使用。所图解说明的换能器阵列500可包含囊封换能器以及下伏电子器件的防水材料504(例如，环氧树脂)。除其防水益处外，防水材料504还可提供“声窗”，使得能量可传送到换能器/从换能器传送到流体介质(例如，水)中。防水材料504的厚度可进一步基于换能器自身的操作频率及大小而优化。
图6图解说明从约两百(200)kHz高达约五百(500)kHz的频率范围中的示范性双频换能器200的所测量发射电压响应600。所图解说明的发射电压响应曲线图图解说明超过25％的带宽，其相对(举例来说)2011年10月26日提出申请的标题为“多频2D相控阵列换能器”的序列号为13/282,257的共同拥有的美国专利申请案中所图解说明的具有大约6％的可实现带宽的双频阵列来说是优点，所述专利申请案的内容在上文并入。
图7图解说明从约八百(800)kHz高达约一千八百(1,800)kHz的频率范围中的示范性双频换能器200的所测量发射电压响应700。图8图解说明图2中所展示的示范性双频换能器200的示范性高频换能器的射束图案曲线图800，而图9图解说明图2中所展示的示范性双频换能器200的示范性低频换能器的射束图案曲线图900。如所图解说明，两个换能器面处的射术图案及射束宽度是彼此完全相同(或几乎完全相同)的。
将认识到，虽然就方法的特定步骤序列来描述本发明的特定方面，但这些说明仅图解说明本发明的较广义方法，且可按特定应用的需要来修改。特定步骤可在特定情景下变得不必要或任选的。另外，特定步骤或功能性可被添加到所揭示实施例，或排列两个或多于两个步骤的执行次序。所有此些变化形式均视为涵盖在本文中所揭示及主张的实施方案内。
虽然以上详细说明已展示、描述及指出如应用于各种实施例的本发明的新颖特征，但将理解，所属领域的技术人员可在不背离本发明的情况下在所图解说明的装置或过程的形式及细节方面做出各种省略、替换及改变。前述说明为实施本发明的当前所预期的最佳模式。此说明绝不意在为限制性的，而是应视为图解说明本发明的一般原理。应参考权利要求书来确定本发明的范围。
Claims (20)
1.一种用于在流体介质中产生声音的宽带电声换能器，其包括：
多个圆盘换能器元件，其各自具有不同基础谐振频率，其中每一基础谐振频率具有独立表面区，所述不同基础频率是所述多个圆盘换能器元件中的每一者具有不同尺寸及/或所述多个圆盘换能器元件中的每一者具有不同背衬层及/或前层以便产生表面振动以形成独立射束的结果。
2.根据权利要求1所述的宽带电声换能器，其中所述多个圆盘换能器元件包括第一圆盘换能器元件及第二圆盘换能器元件，所述第二圆盘换能器元件以高于所述第一圆盘换能器元件的谐振频率操作，所述第一圆盘换能器元件与所述第二圆盘换能器元件具有完全相同或几乎完全相同的射束宽度。
3.根据权利要求2所述的宽带电声换能器，其中所述第二圆盘换能器元件定位于所述第一圆盘换能器元件的第一孔口内，且所述第二圆盘换能器元件包含提供所述完全相同或几乎完全相同的射束宽度的第二孔口。
4.根据权利要求2所述的宽带电声换能器，其中所述第一圆盘换能器元件及所述第二圆盘换能器元件各自包括大约50％的带宽，所述带宽比所述第一圆盘换能器元件及所述第二圆盘换能器元件的所述相应基础谐振频率高25％及低25％。
5.根据权利要求1所述的宽带电声换能器，其中所述多个圆盘换能器元件可在替代操作模式中以相同谐振频率操作。
6.根据权利要求1所述的宽带电声换能器，其中所述多个圆盘换能器元件以轴对称方式对准，其中高度与半径纵横比小于1，以便沿着对称轴的方向且同时沿垂直于所述对称轴的方向产生声辐射。
7.根据权利要求1所述的宽带电声换能器，其中所述多个圆盘换能器元件囊封于由金属或塑料制成的杯状物中，所述杯状物准许基于相应压电元件的所述相应基础谐振频率的激励的声辐射。
8.根据权利要求2所述的宽带电声换能器，其中所述第二圆盘换能器元件是所述第一圆盘换能器元件的厚度的1/4，所述厚度差异贡献于所述完全相同或几乎完全相同的射束宽度。
9.根据权利要求2所述的宽带电声换能器，其中所述第二圆盘换能器元件用于测量浅水中或近距离处的反向散射强度，而所述第一圆盘换能器元件用于测量相比于所述第二圆盘换能器元件更远的距离处的反向散射强度。
10.根据权利要求1所述的宽带电声换能器，其中所述多个圆盘换能器元件电连接到发射装置以实现作为声源或声接收器的操作，所述声源或声接收器能够测量水下水流、检测给定水柱的深度及测量反向散射信号强度以检测水下物体。
11.根据权利要求2所述的宽带电声换能器，其中所述第二圆盘换能器元件可用于测量浅水中或接近于所述电声换能器的位置处的水下水流速度及方向，且所述第一圆盘换能器元件可用于测量距离所述电声换能器较远的位置处的水下水流速度及方向。
12.根据权利要求1所述的宽带电声换能器，其中所述多个圆盘换能器元件中的每一者包括压电圆盘换能器或使用单个晶体。
13.根据权利要求1所述的宽带电声换能器，其中所述多个圆盘换能器元件中的每一圆盘换能器元件可共同在从50kHz到3MHz变化的频率范围中操作且以为谐振操作频率的约25％的本地带宽操作。
14.根据权利要求3所述的宽带电声换能器，其中所述多个圆盘换能器元件可共同用作具有半无源材料的高功率装置。
15.根据权利要求1所述的宽带电声换能器，其中所述多个圆盘换能器元件可共同用作具有半无源材料的高功率装置。
16.一种用于在流体介质中产生声音的宽带电声阵列，其包括：
多个杯状物，所述多个中的每一杯状物包括：
多个圆盘换能器元件，其各自具有不同基础谐振频率，其中每一基础谐振频率具有独立表面区，所述不同基础频率是所述多个圆盘换能器元件中的每一者具有不同尺寸及/或所述多个圆盘换能器元件中的每一者具有不同背衬层及/或前层以便产生表面振动以形成独立射束的结果；及
电子电路，其驱动所述多个圆盘换能器元件中的每一者。
17.根据权利要求16所述的宽带电声阵列，其中所述多个圆盘换能器元件包括第一圆盘换能器元件及第二圆盘换能器元件，所述第二圆盘换能器元件以高于所述第一圆盘换能器元件的谐振频率操作，所述第一圆盘换能器元件与所述第二圆盘换能器元件具有完全相同或几乎完全相同的射束宽度。
18.根据权利要求17所述的宽带电声阵列，其中所述第二圆盘换能器元件定位于所述第一圆盘换能器元件的第一孔口内，且所述第二圆盘换能器元件包含提供所述完全相同或几乎完全相同的射束宽度的第二孔口。
19.根据权利要求18所述的宽带电声阵列，其中所述第一圆盘换能器元件及所述第二圆盘换能器元件各自包括大约50％的带宽，所述带宽比所述第一圆盘换能器元件及所述第二圆盘换能器元件的所述相应基础谐振频率高25％及低25％。
20.根据权利要求19所述的宽带电声阵列，其中：
所述宽带电声阵列经配置以用于声学多普勒水流轮廓仪ADCP应用中；且
所述宽带电声阵列可在所述流体介质的大于2000m的深度处操作。
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