CN112495744A - 一种八波束宽带相控阵换能器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种八波束宽带相控阵换能器及其制备方法，包括：依次叠层设置的金属底座、背衬泡沫、复合材料压电片、匹配层；复合材料压电片包括多个压电阵子、以及填充于阵子之间的去耦材料，其中，压电阵子以稀疏相控阵方式进行布阵，压电阵子正负极分别设有电极片，用于施加不同相位的电信号，以在两个互相垂直的方向上各形成四个波束；匹配层包括多个匹配阵子、以及填充于阵子之间的去耦材料，其中，匹配阵子间隙与压电阵子间隙对齐且间距一致。本发明可实现在两个垂直方向上各有四个波束的八波束DVL，并且实现了宽带，不仅更有利于进行多普勒频移的计算，而且提高了接收的回波信号的信号强度，提高测量精度，减少测量盲区。
Description
技术领域
本发明属于水声换能器技术领域，尤其涉及一种八波束宽带相控阵换能器及其制备方法。
背景技术
近年来，随着水下潜器，尤其是水下无缆潜器(AUV)领域的兴起，声学多普勒测速仪(DVL)的作用显得愈发重要。AUV想要在水下实现自主导航，其中速度测量单元是必不可少的，而测量速度目前最有效的手段就是通过DVL来获取。DVL的工作原理是利用相控发射技术，向海底沿载体的前后左右四个方向发射四个波束，声波到达海底或其他散射介质(水流层等)被反射，由于DVL与反射介质间的相对运动，回波信号的频率产生了多普勒频移，再通过相位延时补偿来进行波束形成，对各个通道的回波进行独立接收，再通过信号处理对多普勒频移解算，从而计算出载体与反射介质之间的相对速度。
当前，DVL在沿载体的前后和左右两个互相垂直的方向上各有两个波束，所收集的数据量有限，也限制了精度。因此，需要更多波束、精度更高的DVL解决方案。
发明内容
本发明为解决上述的技术问题，提供了一种八波束宽带相控阵换能器及其制备方法，本发明的技术方案为：
一种八波束宽带相控阵换能器，包括：依次叠层设置的金属底座、背衬泡沫、复合材料压电片、匹配层；
复合材料压电片包括多个独立的压电阵子、以及填充于各个压电阵子之间间隙的第一去耦材料，其中，压电阵子以稀疏相控阵进行布阵，压电阵子正负极分别设有电极片，用于施加不同相位的电信号，以在两个互相垂直的方向上各形成四个波束；
匹配层包括多个独立的匹配阵子、以及填充于各个匹配阵子之间间隙的第二去耦材料，其中，匹配阵子与压电阵子形状、尺寸一致，并且匹配阵子之间间隙与压电阵子之间间隙对齐且间距一致。
在其中一个实施例中，还包括防水透声层，防水透声层包覆金属底座、背衬泡沫、复合材料压电片、匹配层。
在其中一个实施例中，防水透声层可为环氧树脂或聚氨酯或橡胶。
在其中一个实施例中，压电阵子之间间距介于0.2λ到λ之间，其中，λ为中心频率所对应的波长。
在其中一个实施例中，复合材料压电片的材料为压电陶瓷或压电单晶或有机压电材料，第一去耦材料包括轻质泡沫、以及环氧树脂或聚氨酯或硅橡胶，第二去耦材料包括轻质泡沫、以及环氧树脂或聚氨酯或硅橡胶。
在其中一个实施例中，匹配层的材料为环氧材料或加入金属粉末/陶瓷粉末的环氧材料，匹配层的声学特性阻抗介于2兆瑞利到7.5兆瑞利之间，匹配层中的声速为1500m/s到4500m/s之间。
在其中一个实施例中，复合材料压电片与背衬泡沫径向对齐且边缘互相粘接，其中，复合材料压电片与背衬泡沫之间的周围缝隙经硅橡胶填满；
背衬泡沫与金属底座径向对齐且边缘互相粘接，其中，背衬泡沫与金属底座的周围缝隙经硅橡胶填满。
一种如上述任意一实施例所述的八波束宽带相控阵换能器的制备方法，包括以下步骤：
S1：对一压电片进行切割，形成多个独立的压电阵子，其中，压电阵子以稀疏相控阵进行布阵；
S2：在各个压电阵子之间间隙中填充第一去耦材料，并在压电阵子正负极分别粘接电极片，形成复合材料压电片；
S3：灌注一匹配层，并对匹配层进行切割，形成多个独立的匹配阵子，其中，匹配阵子与压电阵子形状、尺寸一致，并且匹配阵子之间间隙与压电阵子之间间隙对齐且间距一致；
S4：在各个匹配阵子之间间隙中填充第二去耦材料；
S5：将金属底座、背衬泡沫、复合材料压电片、匹配层依次叠层粘接，其中，所匹配阵子之间间隙与压电阵子之间间隙对齐粘接。
在其中一个实施例中，步骤S5之后，还包括步骤S6：
通过硅橡胶对金属底座与背衬泡沫之间的周围缝隙、以及背衬泡沫与复合材料压电片之间的周围缝隙进行填满；
在金属底座、背衬泡沫、复合材料压电片、匹配层的整体外围胶封一防水透声层。
本发明与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
本发明提出了一种在载体前后、左右两个垂直方向上各有四个波束的八波束DVL，其中，四个与水平方向夹角较小的波束，可以提供更大的水平分量，更有利于进行多普勒频移的计算，四个与水平方向夹角较大的波束，有着更大的垂直分量，使得接收的回波信号有较大的信号强度，两种波束优势互补，可提高测量精度，减少测量盲区，同时，通过匹配层技术实现了相控阵的宽带，提高了算法精度。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。
图1为本发明的一种八波束宽带相控阵换能器的整体结构示意图；
图2为传统相控阵指向性仿真图；
图3为本发明的一种八波束宽带相控阵换能器的八波束相控阵指向性仿真图；
图4为本发明的一种八波束宽带相控阵换能器的八波束实测阻抗曲线图；
图5为本发明的一种八波束宽带相控阵换能器的八波束稀疏阵布阵方式示意图。
附图标记说明：
1-金属底座；2-背衬泡沫；3-复合材料压电片；31-负极；32-正极；4-匹配层；5-防水透声层。
具体实施方式
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，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种八波束宽带相控阵换能器及其制备方法作进一步详细说明。
参看图1，本申请提供了一种八波束宽带相控阵换能器，包括：依次叠层设置的金属底座1、背衬泡沫2、复合材料压电片3、匹配层4；
复合材料压电片3包括多个独立的压电阵子、以及填充于各个压电阵子之间间隙的第一去耦材料，其中，压电阵子以稀疏相控阵方式进行布阵，压电阵子正负极31、32分别设有电极片，用于施加不同相位的电信号，以在两个互相垂直的方向上各形成四个波束；
匹配层4包括多个独立的匹配阵子、以及填充于各个匹配阵子之间间隙的第二去耦材料，其中，匹配阵子与压电阵子形状、尺寸一致，并且匹配阵子之间间隙与压电阵子之间间隙对齐且间距一致。
现对本实施例进行详细说明，但不仅限于此。
本实施例的复合材料压电片采用直接切割压电陶瓷片形成压电阵子，并且通过浇筑第一去耦材料、打磨整形等步骤完成得到最终的复合材料压电片，其中，压电阵子是按照稀疏相控阵的布阵方式进行的设计，压电阵子的尺寸和阵子之间的间距要经过严格计算来确定，压电阵子之间的间距要与波长成一定的比例关系才能在之后粘接电极、加不同相位时，形成所要求的八波束。
进一步地，本实施例的换能器是利用多普勒原理对载体速度和水流速度进行测量，因此，换能器中压电片上独立的阵子可以组成了多个线列阵，对于该线列阵：若一个线列阵由N个阵元组成，且相邻两个阵元的间距均为d，则
式中，λ为波长，θE为波束形成后，波束与法线的夹角，各个阵元的电极依次按+--++--+…的方式进行排列。对于传统的多普勒测速测流仪而言，通常都按阵元间距
来进行布阵，若取
则±θE＝±30°，若取N＝32，则其指向性如图2，按照此种方式布阵，可以在水平和垂直两个方向都可以得到两个波束，一共四个波束，从而利用多普勒原理实现测速测流。而在本实施例中，通过改变阵元间距d与波长λ的关系来调整波束的角度，具体切割间距d可以介于0.2λ到λ之间。
优选地，若取d＝0.35λ和d＝0.7λ，将两种布阵方式叠加，其中，将阵子按d＝0.35λ布阵，在加电压时选择+1 -1 -1 +1 +1 -1 -1 +1...的方式，与此同时，将相邻两列看做一列，即相当于是按d＝0.7λ布阵，同时，也按照+1 -1 -1 +1 +1 -1 -1 +1...的方式加电压，实现了两种布阵方式叠加，这样，每八个阵子所施加上的电压即为+1 0 -1 0 0 -1 0 +1，依次循环，从而在单方向形成四个波束，在水平和垂直方向共八个波束，则指向性会同时出现四个主极大值，所在角度分别为±45.77°和±20.99°，其指向性如图3。
上述压电阵子的布阵，本实施例通过切割压电片来实现，同时，本实施例在切割之后，在各个压电阵子之间间隙填充第一去耦材料，具体地，先将厚度略小于压电阵子间距的轻质泡沫条嵌入中各压电阵子之间的缝隙中，再将环氧树脂浇注进缝隙，真空脱泡后，待其固化，形成复合材料压电片，其中第一去耦材料可以包括轻质泡沫、以及环氧树脂或聚氨酯或硅橡胶。优选地，还需对复合材料压电片进行打磨整形，利用磨床、刀片、砂纸等去除表面多余的环氧树脂，使压电阵子表面裸露在外。
具体地，参看图1，本实施例复合材料压电片的正负极31、32被覆电极片，放入烘箱，待其固化后取出，以此形成具有电极的复合材料压电片，其中，此时的每一个阵子上的电极都为联通的，故需沿之前切割压电片的刀缝再次切割，切割深度根据实际情况调整，只要能将电极切断即可，切割后每一个压电阵子都拥有了独立电极。进一步地，基于上述中本实施例换能器的工作方式，相控时，每八个阵子为一个周期施加不同的相位，因此，本实施例的电极片总共需引出八路，示意图如图5，值得注意的是，图中相同标号的阵子电学相通。
优选地，本实施例切割的为压电陶瓷，此外亦可为压电单晶材料、有机压电材料等，第一去耦材料为环氧树脂和轻质泡沫材料，此外，也可为聚氨酯、硅橡胶等材料。
本实施例的匹配层包括多个独立的匹配阵子、以及填充于各个匹配阵子之间间隙的第二去耦材料，具体地，因压电片中的每个阵子在实际工作时都要加独立的电相位，若每个阵子上所加的匹配层未做去耦处理而直接相连，则会影响每个阵子的相位，从而影响相控效果。因此，要对匹配层进行切割，再填充去耦材料，从而达到去耦效果。首先用模具制作一个与压电片径向尺寸一样大的匹配层，并按照与切割压电片同样的间距进行切割；然后，嵌入同样的轻质泡沫条，并浇筑低阻抗的环氧树脂，待其固化；最后，对灌注好的匹配层进行打磨整形，抹去表面多余的环氧。其中，匹配阵子与压电阵子形状、尺寸一致，并且匹配阵子之间间隙与压电阵子之间间隙对齐且间距一致，对应地，匹配层与复合材料压电片间隙对齐进行固定。
优选地，所述的匹配层为环氧树脂材料，亦可为添加氧化铝粉、铜粉、钨粉等金属粉末的环氧树脂材料，匹配层的声学特性阻抗介于2兆瑞利到7.5兆瑞利之间，匹配层中的声速为1500m/s到4500m/s之间。第二去耦材料包括轻质泡沫、以及环氧树脂或聚氨酯或硅橡胶。
优选地，当只有一层匹配层时，匹配层的阻抗
时，声波在匹配层中的透射系数最大，其中Z1,Z2,Z3分别为陶瓷中的声阻抗、匹配层中的声阻抗以及水中的声阻抗，具体地，本实例中Z1＝20.34MRely，Z3＝1.5MRely，因此Z2的理论值为5.52MRely，根据实际情况，最终选用匹配层阻抗值为5.43MRely，实测水中阻抗曲线如图4。
参看图1，本实施例的背衬泡沫2固定于金属底座1上，复合材料压电片3固定于背衬泡沫2上，匹配层4固定于复合材料压电片3上，如此依次叠层进行设置，具体地，复合材料压电片3与背衬泡沫2径向对齐且边缘互相粘接，其中，复合材料压电片3与背衬泡沫2之间的周围缝隙经硅橡胶填满；背衬泡沫2与金属底座1径向对齐且边缘互相粘接，其中，背衬泡沫2与金属底座1的周围缝隙经硅橡胶填满。另外，本实施例还包括防水透声层5，该防水透声层5设于整个换能器的外围，即防水透声层5包覆金属底座1、背衬泡沫2、复合材料压电片3、匹配层4，起到防水、透声的作用，具体防水透声层5可为环氧树脂或聚氨酯或橡胶。
本实施例提出的一种在载体前后、左右两个垂直方向上各有四个波束的八波束DVL，其中，四个与水平方向夹角较小的波束，可以提供更大的水平分量，更有利于进行多普勒频移的计算，四个与水平方向夹角较大的波束，有着更大的垂直分量，使得接收的回波信号有较大的信号强度，两种波束优势互补，可提高测量精度，减少测量盲区，同时，通过匹配层技术实现了相控阵的宽带，提高了算法精度。
另一个实施例中还提供了一种基于上述实施例的八波束宽带相控阵换能器的制备方法，包括以下步骤：
S1：对一压电片进行切割，形成多个独立的压电阵子，其中，压电阵子以稀疏相控阵方式进行布阵；
S2：在各个压电阵子之间间隙中填充第一去耦材料，并在压电阵子正负极分别粘接电极片，形成复合材料压电片；
S3：灌注一匹配层，并对匹配层进行切割，形成多个独立的匹配阵子，其中，匹配阵子与压电阵子形状、尺寸一致，并且匹配阵子之间间隙与压电阵子之间间隙对齐且间距一致；
S4：在各个匹配阵子之间间隙中填充第二去耦材料；
S5：将金属底座、背衬泡沫、复合材料压电片、匹配层依次叠层粘接，其中，所匹配阵子之间间隙与压电阵子之间间隙对齐粘接。
优选地，步骤S5之后，还包括步骤S6：通过硅橡胶对金属底座与背衬泡沫之间的周围缝隙、以及背衬泡沫与复合材料压电片之间的周围缝隙进行填满；在金属底座、背衬泡沫、复合材料压电片、匹配层的整体外围胶封一防水透声层。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。
Claims (9)
1.一种八波束宽带相控阵换能器，其特征在于，包括：依次叠层设置的金属底座、背衬泡沫、复合材料压电片、匹配层；
所述复合材料压电片包括多个独立的压电阵子、以及填充于各个所述压电阵子之间间隙的第一去耦材料，其中，所述压电阵子以稀疏相控阵方式进行布阵，所述压电阵子正负极分别设有电极片，用于施加不同相位的电信号，以在两个互相垂直的方向上各形成四个波束；
所述匹配层包括多个独立的匹配阵子、以及填充于各个所述匹配阵子之间间隙的第二去耦材料，其中，所述匹配阵子与所述压电阵子形状、尺寸一致，并且所述匹配阵子之间间隙与所述压电阵子之间间隙对齐且间距一致。
2.根据权利要求1所述的八波束宽带相控阵换能器，其特征在于，还包括防水透声层，所述防水透声层包覆所述金属底座、所述背衬泡沫、所述复合材料压电片、所述匹配层。
3.根据权利要求2所述的八波束宽带相控阵换能器，其特征在于，所述防水透声层可为环氧树脂或聚氨酯或橡胶。
4.根据权利要求1所述的八波束宽带相控阵换能器，其特征在于，所述压电阵子之间间距介于0.2λ到λ之间，其中，所述λ为中心频率对应的波长。
5.根据权利要求1至4任意一项所述的八波束宽带相控阵换能器，其特征在于，所述复合材料压电片的材料为压电陶瓷或压电单晶或有机压电材料，所述第一去耦材料包括轻质泡沫、以及环氧树脂或聚氨酯或硅橡胶，所述第二去耦材料包括轻质泡沫、以及环氧树脂或聚氨酯或硅橡胶。
6.根据权利要求1至4任意一项所述的八波束宽带相控阵换能器，其特征在于，所述匹配层的材料为环氧材料或加入金属粉末/陶瓷粉末的环氧材料，所述匹配层的声学特性阻抗介于2兆瑞利到7.5兆瑞利之间，所述匹配层中的声速为1500m/s到4500m/s之间。
7.根据权利要求1至4任意一项所述的八波束宽带相控阵换能器，其特征在于，所述复合材料压电片与所述背衬泡沫径向对齐且边缘互相粘接，其中，所述复合材料压电片与所述背衬泡沫之间的周围缝隙经硅橡胶填满；
所述背衬泡沫与所述金属底座径向对齐且边缘互相粘接，其中，所述背衬泡沫与所述金属底座的周围缝隙经硅橡胶填满。
8.一种如权利要求1至7任意一项所述的八波束宽带相控阵换能器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：对一压电片进行切割，形成多个独立的压电阵子，其中，所述压电阵子以稀疏相控阵方式进行布阵；
S2：在各个所述压电阵子之间间隙中填充第一去耦材料，并在所述压电阵子正负极分别粘接电极片，形成复合材料压电片；
S3：灌注一匹配层，并对所述匹配层进行切割，形成多个独立的匹配阵子，其中，所述匹配阵子与所述压电阵子形状、尺寸一致，并且所述匹配阵子之间间隙与所述压电阵子之间间隙对齐且间距一致；
S4：在各个所述匹配阵子之间间隙中填充第二去耦材料；
S5：将金属底座、背衬泡沫、所述复合材料压电片、所述匹配层依次叠层粘接，其中，所述匹配阵子之间间隙与所述压电阵子之间间隙对齐粘接。
9.根据权利要求8所述的八波束宽带相控阵换能器的制备方法，其特征在于，所述步骤S5之后，还包括步骤S6：
通过硅橡胶对所述金属底座与所述背衬泡沫之间的周围缝隙、以及所述背衬泡沫与所述复合材料压电片之间的周围缝隙进行填满；
在所述金属底座、所述背衬泡沫、所述复合材料压电片、所述匹配层的整体外围胶封一防水透声层。
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| CN106984516A (zh) * | 2017-05-31 | 2017-07-28 | 陈江龙 | 一种用于检测的接触式超声换能器及其制备方法 |
| US20200143791A1 (en) * | 2018-11-02 | 2020-05-07 | Imec Vzw | System and Method for User Interaction and Forming Combined Ultrasonic Wave Based on Phased Array Ultrasound Apparatus |
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