CN110297231A - 一种宽带收发分置换能器基阵 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种宽带收发分置换能器基阵，主要包括基阵外壳等，基阵外壳内部安装去耦骨架，基阵外壳底部密封安装基阵尾部端盖与水密接插件，去耦骨架上方安装背衬骨架，去耦骨架内部安装若干纵振换能器单元，背衬骨架上安装若干PVDF单元，纵振换能器单元和PVDF单元的工作面在同平面内紧凑集成，各个单元通过背衬骨架和去耦骨架进行定位和去耦，基阵整体灌封实现水密。本发明将PVDF压电膜的接收面与纵振换能器的辐射面在物理上进行分离，最大限度利用基阵有效孔径并抑制发射单元和接收单元的相互干扰，与原有收发合置换能器基阵相比，在保持高效率辐射声能的基础上，改善了水听器基阵的宽带特性。

Description

一种宽带收发分置换能器基阵
技术领域
本发明涉及水声换能器技术的领域，具体涉及一种宽带收发分置换能器基阵。
背景技术
UUV在过去十几年有着广泛的应用，例如海底成像和海事搜救等。声纳系统仍是在海洋中目标探测和定位的主要手段。由于UUV通常空间有限，声纳基阵往往需要足够紧凑来与之相适应。
水声换能器是声纳系统中产生或接收声波信号的重要设备，它的主要功能是实现电能和声能间相互转换。将电能转化为声能辐射到水中的称为发射换能器，而将接收声能转化为电能的称为接收器或水听器。一般情况下，换能器具有互易性，既能用作发射，也能用作接收。
纵振换能器通常具有低频、大功率的特点。该类换能器由压电圆环堆和两端质量块构成，中心通过螺栓施加预应力。头和尾质量块降低了其谐振频率，头质量块附加匹配层可展宽带宽。纵振换能器成阵后的发射性能不仅与其自身结构参数有关，而且与阵元分布、声障材料关系密切。
压电薄膜材料PVDF具备作为大面积水听器阵列的一些优势：高静水压g常数使得其在静水压条件下工作具有较高灵敏度，与陶瓷相比，较低的特性阻抗与水介质匹配好，而且适合用于透声应用。PVDF机械性能好、易弯曲，可实现多种形状成型并适用于共形阵。PVDF水听器阵列的声接收性能受水听器结构、背衬材料以及安装平台特性等多种因素影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种宽带收发分置换能器基阵。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的：这种宽带收发分置换能器基阵，主要包括基阵外壳、PVDF单元、背衬骨架、纵振换能器单元、去耦骨架、基阵尾部端盖、水密接插件、前放电路板，基阵外壳内部安装去耦骨架，基阵外壳底部密封安装基阵尾部端盖，基阵尾部端盖中心密封安装水密接插件，去耦骨架上方安装背衬骨架，去耦骨架内部安装若干纵振换能器单元，去耦骨架上方安装若干前放电路板，背衬骨架上安装若干PVDF单元，纵振换能器单元和PVDF单元的工作面在同平面内紧凑集成，各个单元通过背衬骨架和去耦骨架进行定位和去耦，基阵整体灌封实现水密。
所述基阵外壳为一圆柱壳体，一端面有多个螺钉孔以与基阵尾部端盖紧固安装，另一端面有两段台阶状凹槽以确保在基阵整体灌注时与聚氨酯胶牢固连接。
所述PVDF单元由PVDF薄膜根据设计尺寸裁剪而成，其厚度为0.1mm至0.5mm。
所述背衬骨架为一定厚度的圆板，背衬骨架上在纵振换能器单元辐射面安装位置打通孔，同时背衬骨架在PVDF单元接收面位置开凹槽用于定位，每个凹槽的一角开小圆通孔用于正面电极引线。
所述纵振换能器单元主要由陶瓷片、电极片、导线、前质量块、后质量块、预应力螺杆以及匹配层构成。
所述去耦骨架主要包括发射单元定位槽、发射单元走线槽、前放板定位槽以及接收单元走线槽，发射单元定位槽呈阵列排列，每个发射单元定位槽旁规则设有前放板定位槽和接收单元走线槽，发射单元定位槽内部设有发射单元走线槽。
所述基阵尾部端盖为一定厚度的圆板，其母线方向中部位置沿圆周开槽以放置O型圈从而实现与基阵外壳的水密，基阵尾部端盖后端面沿圆周有若干通孔与基阵外壳的螺孔相对应形成两者间紧固安装，基阵尾部端盖圆心处有一圆柱通孔以安装水密接插件。
所述水密接插件根据基阵单元数要求引出多路信号，水密接插件与基阵尾部端盖紧固安装，采用径向密封圈实现与基阵尾部端盖安装孔之间的水密。
所述前放电路板将PVDF单元输出信号放大，前放电路板主要包括电源端子、输入信号端子、输出信号端子和接地端子。
所述前放电路板具有单端输出和差分输出两种模式。
所述基阵外壳材料为铝、不锈钢、钛合金类金属材料。
所述背衬骨架采用铜、铝类金属材料。
所述去耦骨架由具有一定强度的硬脂泡沫和玻璃微珠类圆柱状材料构成。
所述基阵尾部端盖采用不锈钢、铝和钛合金材料。
本发明的有益效果为：本发明将PVDF压电膜的接收面与纵振换能器的辐射面在物理上进行分离，最大限度利用基阵有效孔径并抑制发射单元和接收单元的相互干扰，与原有收发合置换能器基阵相比，在保持高效率辐射声能的基础上，改善了水听器基阵的宽带特性，同时，换能器基阵结构简单易实现，工艺过程简便可控；具有小型化优势，可以应用于UUV等水下无人平台的探测声纳系统，是声纳系统中的重要部件；合理利用布阵空间将声学基阵的发射单元与接收单元进行分离，充分发挥高效率纵振换能器及宽带PVDF水听器各自优势，降低发射系统和接收系统相互影响，提高声学基阵的综合性能。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明的去耦骨架结构示意图。
图3为本发明实施例2的发射阵发射电压响应图。
图4为本发明实施例2的发射阵发射声源级及功率线性图。
图5为本发明实施例2的发射阵指向性图(28kHz)。
图6为本发明实施例2的PVDF水听器声压灵敏度频响曲线图。
附图标记说明：基阵外壳 1、PVDF单元 2、背衬骨架 3、纵振换能器单元 4、去耦骨架 5、基阵尾部端盖 6、水密接插件 7、发射单元定位槽 8、发射单元走线槽 9、前放板定位槽 10以及接收单元走线槽 11、前放电路板 12。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍：
实施例：如附图所示，这种宽带收发分置换能器基阵，主要包括基阵外壳1、PVDF单元2、背衬骨架3、纵振换能器单元4、去耦骨架5、基阵尾部端盖6、水密接插件7、前放电路板12，基阵外壳1内部安装去耦骨架5，基阵外壳1底部密封安装基阵尾部端盖6，基阵尾部端盖6中心密封安装水密接插件7，去耦骨架5上方安装背衬骨架3，去耦骨架5内部安装若干纵振换能器单元4，去耦骨架5上方安装若干前放电路板12，背衬骨架3上安装若干PVDF单元2，纵振换能器单元4和PVDF单元2的工作面在同平面内紧凑集成，各个单元通过背衬骨架3和去耦骨架5进行定位和去耦，基阵整体灌封实现水密。
基阵外壳1为一圆柱壳体，一端面有多个螺钉孔以与基阵尾部端盖6紧固安装，螺钉孔个数可为6个或8个，沿圆周方向均匀分布，另一端面有两段台阶状凹槽以确保在基阵整体灌注时与聚氨酯胶牢固连接。PVDF单元2由PVDF薄膜根据设计尺寸裁剪而成，其厚度为0.1mm至0.5mm，不同厚度对水听器单元的灵敏度有影响。背衬骨架3为一定厚度的圆板，背衬骨架3上在纵振换能器单元4辐射面安装位置打通孔，同时背衬骨架3在PVDF单元2接收面位置开凹槽用于定位，每个凹槽的一角开小圆通孔用于正面电极引线。纵振换能器单元4主要由陶瓷片、电极片、导线、前质量块、后质量块、预应力螺杆以及匹配层构成。去耦骨架5主要包括发射单元定位槽8、发射单元走线槽9、前放板定位槽10以及接收单元走线槽11，发射单元定位槽8呈阵列排列，每个发射单元定位槽8旁规则设有前放板定位槽10和接收单元走线槽11，发射单元定位槽8内部设有发射单元走线槽9。基阵尾部端盖6为一定厚度的圆板，其母线方向中部位置沿圆周开槽以放置O型圈从而实现与基阵外壳1的水密，基阵尾部端盖6后端面沿圆周有若干通孔与基阵外壳1的螺孔相对应形成两者间紧固安装，基阵尾部端盖6圆心处有一圆柱通孔以安装水密接插件7。水密接插件7根据基阵单元数要求引出多路信号，水密接插件7与基阵尾部端盖6紧固安装，采用径向密封圈实现与基阵尾部端盖6安装孔之间的水密。前放电路板12将PVDF单元2输出信号放大，前放电路板12主要包括电源端子、输入信号端子、输出信号端子和接地端子。前放电路板12具有单端输出和差分输出两种模式。
基阵外壳1材料为铝、不锈钢、钛合金类金属材料。背衬骨架3采用铜、铝类金属材料。去耦骨架5由具有一定强度的硬脂泡沫和玻璃微珠类圆柱状材料构成。基阵尾部端盖6采用不锈钢、铝和钛合金材料。
实施例2：基阵外壳1由不锈钢构成，高度为156mm，外径Φ220mm，壁厚为10mm。PVDF单元2由PVDF薄膜裁剪而成，尺寸为15mm*15mm*0.25mm。背衬骨架3为铜板，其整体尺寸为Φ204mm*10mm，并在发射单元与接收单元相应位置开孔、开槽。去耦骨架5具体结构如图2所示，由硬脂泡沫加工而成，其外形尺寸为Φ200mm*122mm。基阵尾部端盖6外形尺寸为Φ220mm*18mm，由不锈钢材料构成。
首先将PVDF压电膜按单元尺寸裁成矩形，切去四角，形成PVDF单元2。对照图纸复测压电膜的几何尺寸、静态电容(按批次平均±10％值)，剔除不合格品。根据静态电容相近的原则对PVDF压电膜进行筛选；检测压电膜的极性并作明显标记。对PVDF压电膜进行清洗，去除污垢和油渍，干燥处理后待用。
将背衬骨架3表面喷砂处理并进行检查，剔除有裂痕、表面存在缺陷的铜板。用丙酮溶液清洗背衬板，然后用卫生纸吸去残留清洗液，晾干后置于干燥处待用。
在处理过的PVDF单元2负极表面和背衬骨架3对应凹槽表面均匀涂覆常温环氧胶，胶层要尽量薄，但不能出现缺胶的情况。然后将PVDF单元2粘接在背衬骨架3上，并用夹具压紧待5小时后环氧胶完全固化。
将水密接插件7安装在基阵尾部端盖6上，然后用8个M6内六角螺钉将基阵外壳1与基阵尾部端盖6紧固安装，同时在相应位置放置O型圈以确保基阵水密性能。接着将各个前放电路板12以及纵振换能器单元4加装在去耦骨架5相应孔位和槽位中，并将引出线从对应槽位向基阵后端引出。下一步去耦骨架5整体安装于基阵外壳1中，并将发射单元和前放单元的引出线焊接于水密接插件7相应通道的焊盘处。
将固化的背衬骨架3安装在去耦骨架5上，并注意槽位与发射单元相对应，同时将PVDF单元2的正负信号输出与前放电路板12的输入端子相连。
最后将工作面表面用聚氨酯进行灌封以实现基阵整体水密，放入烘箱并设置温度为65℃，待24小时完全固化后取出。
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 (10)

1.一种宽带收发分置换能器基阵，其特征在于：主要包括基阵外壳(1)、PVDF单元(2)、背衬骨架(3)、纵振换能器单元(4)、去耦骨架(5)、基阵尾部端盖(6)、水密接插件(7)、前放电路板(12)，基阵外壳(1)内部安装去耦骨架(5)，基阵外壳(1)底部密封安装基阵尾部端盖(6)，基阵尾部端盖(6)中心密封安装水密接插件(7)，去耦骨架(5)上方安装背衬骨架(3)，去耦骨架(5)内部安装若干纵振换能器单元(4)，去耦骨架(5)上方安装若干前放电路板(12)，背衬骨架(3)上安装若干PVDF单元(2)，纵振换能器单元(4)和PVDF单元(2)的工作面在同平面内紧凑集成，各个单元通过背衬骨架(3)和去耦骨架(5)进行定位和去耦，基阵整体灌封实现水密。
2.根据权利要求1所述的宽带收发分置换能器基阵，其特征在于：所述基阵外壳(1)为一圆柱壳体，一端面有多个螺钉孔以与基阵尾部端盖(6)紧固安装，另一端面有两段台阶状凹槽以确保在基阵整体灌注时与聚氨酯胶牢固连接。
3.根据权利要求1所述的宽带收发分置换能器基阵，其特征在于：所述PVDF单元(2)由PVDF薄膜根据设计尺寸裁剪而成，其厚度为0.1mm至0.5mm。
4.根据权利要求1所述的宽带收发分置换能器基阵，其特征在于：所述背衬骨架(3)为一定厚度的圆板，背衬骨架(3)上在纵振换能器单元(4)辐射面安装位置打通孔，同时背衬骨架(3)在PVDF单元(2)接收面位置开凹槽用于定位，每个凹槽的一角开小圆通孔用于正面电极引线。
5.根据权利要求1所述的宽带收发分置换能器基阵，其特征在于：所述纵振换能器单元(4)主要由陶瓷片、电极片、导线、前质量块、后质量块、预应力螺杆以及匹配层构成。
6.根据权利要求1所述的宽带收发分置换能器基阵，其特征在于：所述去耦骨架(5)主要包括发射单元定位槽(8)、发射单元走线槽(9)、前放板定位槽(10)以及接收单元走线槽(11)，发射单元定位槽(8)呈阵列排列，每个发射单元定位槽(8)旁规则设有前放板定位槽(10)和接收单元走线槽(11)，发射单元定位槽(8)内部设有发射单元走线槽(9)。
7.根据权利要求1所述的宽带收发分置换能器基阵，其特征在于：所述基阵尾部端盖(6)为一定厚度的圆板，其母线方向中部位置沿圆周开槽以放置O型圈从而实现与基阵外壳(1)的水密，基阵尾部端盖(6)后端面沿圆周有若干通孔与基阵外壳(1)的螺孔相对应形成两者间紧固安装，基阵尾部端盖(6)圆心处有一圆柱通孔以安装水密接插件(7)。
8.根据权利要求1所述的宽带收发分置换能器基阵，其特征在于：所述水密接插件(7)根据基阵单元数要求引出多路信号，水密接插件(7)与基阵尾部端盖(6)紧固安装，采用径向密封圈实现与基阵尾部端盖(6)安装孔之间的水密。
9.根据权利要求1所述的宽带收发分置换能器基阵，其特征在于：所述前放电路板(12)将PVDF单元(2)输出信号放大，前放电路板(12)主要包括电源端子、输入信号端子、输出信号端子和接地端子。
10.根据权利要求1所述的宽带收发分置换能器基阵，其特征在于：所述前放电路板(12)具有单端输出和差分输出两种模式。
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