一种换能器阵主波束内低起伏的阵元排列结构及方法与流程

本发明涉及换能器，尤其是指一种换能器阵主波束内低起伏的阵元排列结构及方法。

背景技术：

1、近年来，随着对海洋资源和环境的研究开发活动不断加强，人们对水下地形地貌信息需求日益提升，多波束图像声纳就是海洋勘测的首选设备之一，广泛应用于水下地貌测绘和水下小目标的探测识别。多波束图像声纳换能器通常为收发分置，发射换能器使用高频弧形发射换能器阵辐射出较宽的波束和较高的声源级，提高声纳探测识别效率。主要使用以下两种方式制作弧形发射换能器阵：一是使用单片弧形压电陶瓷片，二是采用压电陶瓷粒子拼接成弧形的方式。由于尺寸较大的单片弧形压电陶瓷片加工难度大，制作成本高，因此使用长方体压电陶瓷粒子拼接成需要的弧形是高频弧形发射换能器阵最常用的制作方式。

2、如图1所示，换能器由n个长方体压电陶瓷粒子作为阵元均匀排列成圆心角为θ和辐射面半径为r的圆弧阵列，通常主波束内指向性起伏大于3db，165个阵元均匀排列成圆心角为123°和辐射面半径为200mm的圆弧阵列在400khz时指向性如图2所示，主波束内指向性起伏为3.3db，在实际制作时由于换能器零件加工误差，长方体压电陶瓷粒子一致性等原因，起伏会接近5db，这造成换能器远场声照射能量不均匀，降低声纳探测效率。

3、为了降低弧形发射换能器阵主波束内起伏，最常规的方式是对阵元进行电压加权，需要将每路阵元单独引出，使用时对每路阵元单独施加电压，两端的电压小，中间电压大，可有效降低弧形发射换能器阵主波束内起伏，但这种方式需要将每路阵元的电极单独引出且施加电压信号大学需要单独控制，采用这种方式工艺复杂，工作量大，成本高。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提供有一种弧形发射换能器阵主波束内低起伏的阵元排列结构，所述阵元排列结构制作的主波束内低起伏弧形发射换能器阵相比常规基阵可有效降低起伏，包括阵元、背衬、导线；若干个阵元设于背衬上，且与背衬之间粘连；所述的阵元排列组成的弧形阵列分为三段，包括有1段中间弧形阵列和2段两端弧形阵列，而中间弧形阵列由n个长方体压电陶瓷粒子作为阵元均匀排列成圆心角为θ和辐射面半径为r的圆弧阵列，两端弧形阵列由n个长方体压电陶瓷粒子作为阵元均匀排列成圆心角为θ1和辐射面半径为r的圆弧阵列；

2、其中的背衬为双层结构，包括绝缘耐压背衬、去耦背衬；其中的去耦背衬设于三段弧形阵列的背面，且三段弧形阵列与弧形阵列内弧面还设有共形的绝缘耐压背衬粘接固定；

3、且长方体压电陶瓷粒子负极均位于辐射面上，正极均位于背衬面上，中间圆弧阵列的辐射面与两端圆弧阵列的辐射面相切，其中的正负极电极分别并联引出一对导线。

4、在本发明的一个实施例中，其中的2端圆弧阵列的辐射面半径r为r的(20～35)％，圆心角θ1为8°～12°；其中弧形阵列的阵元辐射面间距均一致，满足θ×r×(n-1)＝θ1×r×(n-1)。

5、在本发明的一个实施例中，其中的中间圆弧阵列的端点阵元和两端圆弧阵列端点阵元共用1个长方体压电陶瓷粒子。

6、在本发明的一个实施例中，去耦背衬采用的是0.3mm～1mm厚的软木；缘耐压背衬采用的是玻璃微珠和环氧玻璃布板。

7、在本发明还提供有一种弧形发射换能器阵主波束内低起伏的阵元排列方法，包括如下步骤：

8、步骤s1：根据弧形发射换能器的工作需求设计出长方体压电陶瓷尺寸，其中对陶瓷尺寸并不限定；

9、步骤s2：按照计算结果将压电陶瓷排列成弧形阵列，弧形外侧为压电陶瓷负极，弧形内侧为压电陶瓷正极，压电陶瓷正负极面与弧形面相切；

10、步骤s3：弧形阵列使用环氧树脂粘接一层去耦背衬；再使用环氧树脂将由压电陶瓷排列的弧形阵列与弧形阵列内弧面共形的绝缘耐压背衬粘接固定；

11、步骤s4：所有压电陶瓷正极银层焊接一根导线引出，所有压电陶瓷负极银层焊接一根导线引出。

12、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：本发明所述的阵元排列结构，制作的主波束内低起伏弧形发射换能器阵相比常规基阵可有效降低起伏约1.5db，可有效提高发射换能器主波束内有效声源级及提升声纳探测效率。同时阵元排列方法中将弧形阵列分为三段弧形阵列构成，分别为1段中间弧形阵列和2段两端弧形阵列，其中两端的圆弧尺寸一致且弧半径小于中间的圆弧，并且在正负极电极分别并联引出一对导线，使得弧形阵列的阵元在两端贡献减弱存在幅度加权，简化了工艺操作和减少了工作量，降低弧形发射换能器阵主波束内起伏，提高换能器的发射能力。

技术特征：

1.一种弧形发射换能器阵主波束内低起伏的阵元排列结构，所述阵元排列结构制作的主波束内低起伏弧形发射换能器阵相比常规基阵可有效降低起伏，其特征在于，包括阵元(1)、背衬、导线(4)；若干个阵元(1)设于背衬上，且与背衬之间粘连；所述的阵元(1)排列组成的弧形阵列分为三段，包括有1段中间弧形阵列和2段两端弧形阵列，而中间弧形阵列由n个长方体压电陶瓷粒子作为阵元(1)均匀排列成圆心角为θ和辐射面半径为r的圆弧阵列，两端弧形阵列由n个长方体压电陶瓷粒子作为阵元(1)均匀排列成圆心角为θ1和辐射面半径为r的圆弧阵列；

2.根据权利要求1所述的阵元排列结构，其特征在于：其中的2端圆弧阵列的辐射面半径r为r的(20～35)％，圆心角θ1为8°～12°；其中弧形阵列的阵元(1)辐射面间距均一致，满足θ×r×(n-1)＝θ1×r×(n-1)。

3.根据权利要求1所述的阵元排列结构，其特征在于：其中的中间圆弧阵列的端点阵元和两端圆弧阵列端点阵元共用1个长方体压电陶瓷粒子。

4.根据权利要求1所述的阵元排列结构，其特征在于：去耦背衬(3)采用的是0.3mm～1mm厚的软木；缘耐压背衬(3)采用的是玻璃微珠和环氧玻璃布板。

5.一种弧形发射换能器阵主波束内低起伏的阵元排列方法，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结
本发明涉及一种换能器阵主波束内低起伏的阵元排列结构及方法，所述阵元排列结构制作的主波束内低起伏弧形发射换能器阵相比常规基阵可有效降低起伏，包括阵元、背衬、导线；若干个阵元设于背衬上，且与背衬之间粘连；所述的阵元排列包括有1段中间弧形阵列和2段两端弧形阵列，而中间弧形阵列由N个长方体压电陶瓷粒子作为阵元均匀排列成圆心角为θ和辐射面半径为R的圆弧阵列，两端弧形阵列由n个长方体压电陶瓷粒子作为阵元均匀排列成圆心角为θ1和辐射面半径为r的圆弧阵列。本发明的阵元排列结构，制作的主波束内低起伏弧形发射换能器阵相比常规基阵可有效降低起伏约1.5dB，可有效提高发射换能器主波束内有效声源级及提升声纳探测效率。

技术研发人员：黄水兵,李勤博,王洪亮
受保护的技术使用者：海鹰企业集团有限责任公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23