CN110460390A - 一种可拉伸压电换能器阵列声波接收端及接收系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可拉伸压电换能器阵列声波接收端及接收系统，接收端包括：凹球面状的支撑基底；以及，多个压电换能器阵元构成的声波接收阵列，其设置在所述支撑基底的凹球面上，相邻阵元之间设有弹性可拉伸的连接线；所述多个压电换能器阵元并联连接。上述波接收端及接收系统使得声波可以利用额外的空间自由度来进行数据传输，增加了声波的数据传输能力，提高了相同频段内可用频带宽度。
Description
技术领域
本发明涉及声学压电换能器领域，特别涉及一种可拉伸压电换能器阵列声波接收端及接收系统。
背景技术
由于多媒体信息普及，数据内容涵盖范围越来越广，包括文字、图片与声音，因此声波的通信也变得越来越重要。然而，声波较低的载频大大限制了数据传输的频谱带宽和数据速率。虽然通过差分相移键控(PSK)和正交调幅(QAM)等先进的通信技术提高了频谱效率，但可用的数据传输通道的数量仍然与低载波频率有关。
受限于现有技术中的声波接收阵列的结构设计，其接收到的声波信号已经大量衰减，这直接导致声波的空间信号传输的自由度不够，在相同频段内可用频带宽度较低。
发明内容
本发明旨在提供一种可拉伸压电换能器阵列声波接收端及接收系统，该接收端特殊的结构设计，使得声波可以利用额外的空间自由度来进行数据传输，增加了声波的数据传输能力，提高了相同频段内可用频带宽度。
本发明的第一方面提供了一种可拉伸压电换能器阵列声波接收端，包括：凹球面状的支撑基底；以及，多个压电换能器阵元构成的声波接收阵列，其设置在所述支撑基底的凹球面上，相邻阵元之间设有弹性可拉伸的连接线；所述多个压电换能器阵元并联连接。
进一步的，每个压电换能器阵元自身弹性可拉伸。
进一步的，每个压电换能器阵元包括多个压电陶瓷片和可拉伸的柔性电路板，该可拉伸的柔性电路板包括多个焊盘、绝缘层和底部导电层，其中，所述多个焊盘设置于绝缘层上，所述绝缘层设置于所述底部导电层之上，每个焊盘的底部穿过绝缘层与底部导电层电连接，每个压电陶瓷片的正极焊接在所述焊盘上，所述压电陶瓷片之间并联连接。
进一步的，所述压电陶瓷片为层叠结构，并且每层压电陶瓷之间并联连接。
进一步的，所述阵元之间的连接线为弹性的蛇形连接线。
进一步的，所述多个压电换能器阵元构成的声波接收阵列为同心圆阵列。
进一步的，所述多个压电换能器阵元构成的声波接收阵列为不规则阵列。
进一步的，所述可拉伸的柔性电路板为圆形。
进一步的，所述多个压电陶瓷片的数量为4个，所述阵元之间的连接线的数量为4条，每个压电陶瓷片设置于圆形的可拉伸柔性电路板上，并与每条连接线一一对应。
本发明的第二方面提供了一种可拉伸压电换能器阵列声波接收系统，包括：第一方面所述的任意可拉伸压电换能器阵列声波接收端；以及，与所述声波接收端依次连接的放大器电路、滤波器电路、数据采集电路、数据存储电路和数据处理电路。
本申请提供的可拉伸压电换能器阵列声波接收端采用了可拉伸阵列的结构，并且阵元也是可拉伸的，使得可以在支撑基底上自由的调节阵列形状和大小，这样声波可以利用额外的空间自由度来进行数据传输，增加了声波的数据传输能力，提高了相同频段内可用频带宽度。
附图说明
图1是本发明实施例的声波接收系统功能框架图；
图2为本发明实施的可拉伸阵列的变焦斑深度示意图；
图3为本发明实施例的凹球面阵列聚焦示意图；
图4为本发明实施例的可拉伸电路板的结构示意图；
图5为本发明实施例的压电陶瓷片并联极化方向示意图；
图6为本发明实施例的阵列岛桥结构示意图。
具体实施方式
以下部分将结合附图和具体实施实例对本技术方案进行进一步说明。通过参考示范性实施例，本发明技术问题、技术方案和优点将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。
图1为声波接收系统的声波信号处理功能结构图。声波接收系统包括：接收阵元11、放大器12、滤波器13、采集单元14、存储单元15和计算单元16。声波信号经过每一个接收阵元11转化成电压信号，随后经过前级放大器12，为了滤除音频信号中不必要的杂波，必须在数据采集前端放置滤波器13，以尽可能滤除噪声干扰与混叠失真，在经过前级的放大和滤波处理之后，需要通过采集单元14对数据进行采集，数据采集之后再通过存储单元15对数据进行存储，声音信号的性质随时间变化很大，为了充分利用有限的存储空间，并且不失真的传送语音信号必须对采集后的语音信号进行进一步语音压缩，最后通过计算单元16对声波信号进行计算处理。
图2为声波接收端常用的凹球面状压电换能器阵列的示意图。从图中可以看出，若阵列本身具备可延展性，则阵列的伸缩变化会改变凹球面的曲率半径，实现变焦斑深度。其中RSR为凹球的曲率，p(x,y,z)点为焦斑在空间的位置坐标。图3为凹球面压电换能器阵列的聚焦示意图，设阵元的指向性最大值向着几何中心。发射阵元有较宽的指向性，这样在聚焦区域内可以有较好的能量叠加。凹球面的曲率半径为R0，动态焦点围绕几何中心附近移动。
根据图2、图3所示，本实施例提出了一种阵列结构，可以令凹球面的大小、曲率发生改变，进而改变阵列的聚焦区域和焦斑深度，用该阵列结构作为声波接收端则会大大提高声波数据传输的空间自由度，增加声波的数据传输能力，提高相同频段内的可用频带宽度。
本实施例提供的可拉伸压电换能器阵列声波接收端，包括：凹球面状的支撑基底(图中未示出)；以及，构成的声波接收阵列，其设置在所述支撑基底的凹球面上，相邻阵元之间设有弹性可拉伸的连接线；所述多个压电换能器阵元并联连接。每个压电换能器阵元自身弹性可拉伸。
具体的，每个压电换能器阵元包括多个压电陶瓷片和可拉伸的柔性电路板。参见图4，所述可拉伸柔性电路板用于提供连接各个接收阵元的电路。所述电路板包括：连接层712、绝缘薄膜713和导电的底层714，所述绝缘薄膜713用于隔开所述连接层712和导电底层714，并采用柔性可拉伸材料；所述底层714也采用柔性可拉伸材料，具体材料属于本领域的公知常识，此处不再赘述。本实施例中的所述连接层712为多个焊盘，优选为每个电路板上4个焊盘，每个焊盘对应阵元之间的连接线所在位置设置，每个焊盘有一个孔，所述孔用于与导电底层714导通。四个压电陶瓷片的极化方向相同(图4只象征性的示出了其中两个压电陶瓷片)。这里的压电陶瓷片711-1和711-2，可以是锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)、铌酸钠钾基陶瓷(KNN)、BNT基压电陶瓷、BaTiO3基压电陶瓷、铋层状结构压电陶瓷以及一些掺杂的二元系和三元系压电陶瓷等。压电陶瓷片优选的通过切割整片已极化的压电陶瓷片的方式获得，切割前做好极化方向的标识，切割完成后封装到料盘内，并标识清楚极化方向的正面和负面。其中，每个焊盘与每个压电陶瓷片的正面以焊接的方式相连，这样电路板上的4个压电陶瓷片的正极通过导电的底层714并联在一起，最后将每个阵元再进行并联，然后一起接入电路，负极也并联在一起接入电路，从而形成本实施例的声波接收端。
本实施例之所以不仅对每个阵元进行并联，而且对每个阵元内的各个压电陶瓷片进行并联，是因为申请人在实验中发现，压电陶瓷片的并联连接可以提高输出电荷，声波接收效率较高。
为了进一步提高声波接收效率，每个阵元电路板上的压电陶瓷片可以是多层压电陶瓷的叠加。如图5所示，各层压电陶瓷在叠加时，每层压电陶瓷的极化方向都保证为“+-+-”的形式，即第一压电陶瓷层的负极连接第二压电陶瓷层的正极，以此类推，一层一层的叠加，并在各层之间设置电极层，以保证各层压电陶瓷为并联结构。这里需要指出的是，所谓压电陶瓷层彼此并连，就是说各层压电陶瓷的正极均被引出连接至电路一端，各层压电陶瓷的负极均被引出连接至电路的另一端。
可选的，本实施例中每个阵元电路板上的压电陶瓷片并不限于4片，理论上2片以上的压电陶瓷片均可改善阵元自身的可拉伸性。这是因为电路板之间的连接线在拉伸电路板时，如果只有一整片压电陶瓷，会导致电路板本身难以被拉伸，若电路板上的压电陶瓷片为多个分离结构，则当连接线在电路板的不同方向施加拉力时，几个分离的压电陶瓷片使电路板较容易被拉伸。因此，每个阵元电路板上的压电陶瓷片可以是两个以上，优选为四片。
进一步的，阵元之间的连接线是为了使各个阵元保持相互连接从而维持阵列的网状结构，因此上述连接线并不会使各个阵元之间发生电连接，其是非导电性的。所述连接线可以彼此连接至电路板的适当位置，连接线可以采用弹性可拉伸的材质，并在邻近阵元之间呈直线状或蛇形线。如图6所示的同心圆形的阵列阵元岛桥连接结构，其阵列中的每个阵元为圆形，其引出4根蛇形连接线，分别连接至临近阵元的电路板上，每根蛇形连接线都是弹性可拉伸的，并且每个阵元的电路板上设置有2个分离的压电陶瓷片。该可拉伸压电换能器阵列在使用时，可以像丝袜一样套在凹球面的支撑基底上，根据需要可以通过人工或机械自由的拉伸或压缩阵列，在拉伸或压缩过程中，每个阵元的电路板也对应改变形状，进而调节阵列形状和大小，改变凹球面阵列的曲率，这样声波可以利用额外的空间自由度来进行数据传输，增加了声波的数据传输能力，提高了接收声波的相同频段内可用频带宽度。
需要指出的是，本发明实施例的图6仅仅是以同心圆形的的阵列为例，但并不限于同心圆形的阵列，申请人在研究中发现，不规则的压电换能器阵列同样会获得改善的声波接收效果。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种可拉伸压电换能器阵列声波接收端，其特征在于，包括：
凹球面状的支撑基底；
以及，多个压电换能器阵元构成的声波接收阵列，其设置在所述支撑基底的凹球面上，相邻阵元之间设有弹性可拉伸的连接线；
所述多个压电换能器阵元并联连接。
2.根据权利要求1所述的可拉伸压电换能器阵列声波接收端，其特征在于：每个压电换能器阵元自身弹性可拉伸。
3.根据权利要求2所述的可拉伸压电换能器阵列声波接收端，其特征在于：
每个压电换能器阵元包括多个压电陶瓷片和可拉伸的柔性电路板，该可拉伸的柔性电路板包括多个焊盘、绝缘层和底部导电层，其中，所述多个焊盘设置于绝缘层上，所述绝缘层设置于所述底部导电层之上，每个焊盘的底部穿过绝缘层与底部导电层电连接，每个压电陶瓷片的正极焊接在所述焊盘上，所述压电陶瓷片之间并联连接。
4.根据权利要求3所述的可拉伸压电换能器阵列声波接收端，其特征在于：所述压电陶瓷片为层叠结构，并且每层压电陶瓷之间并联连接。
5.根据权利要求1所述的可拉伸压电换能器阵列声波接收端，其特征在于：所述阵元之间的连接线为弹性的蛇形连接线。
6.据权利要求1所述的可拉伸压电换能器阵列声波接收端，其特征在于：优选的，所述多个压电换能器阵元构成的声波接收阵列为同心圆阵列。
7.据权利要求1所述的可拉伸压电换能器阵列声波接收端，其特征在于：优选的，所述多个压电换能器阵元构成的声波接收阵列为不规则阵列。
8.根据权利要求3所述的可拉伸压电换能器阵列声波接收端，其特征在于：优选的，所述可拉伸的柔性电路板为圆形。
9.根据权利要求8所述的可拉伸压电换能器阵列声波接收端，其特征在于：所述多个压电陶瓷片的数量为4个，所述阵元之间的连接线的数量为4条，每个压电陶瓷片设置于圆形的可拉伸柔性电路板上，并与每条连接线一一对应。
10.一种可拉伸压电换能器阵列声波接收系统，其特征在于，包括：
权利要求1-9任意所述的可拉伸压电换能器阵列声波接收端；
以及，与所述声波接收端依次连接的放大器电路、滤波器电路、数据采集电路、数据存储电路和数据处理电路。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20191115 |
|
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |