低指向性起伏弧形发射换能器阵的制作方法

本发明属于水声工程技术领域，具体涉及低指向性起伏弧形发射换能器阵。

背景技术：

声波是水媒质中唯一能够远距离传输的信息载体，使水声技术成为水下信息发送和获取的最有效手段，换能器作为水声装备与水中声场信息交互的“窗口”，是水声装备信息发送和信息感知的关键部件。换能器是声纳系统的核心部件，实现声纳电信号与水中声信号的单向或双向能量转换，对声纳性能起着决定性的作用。

弧形发射换能器阵是声纳系统中常用的一类换能器阵，一般采用压电陶瓷颗粒沿弧形方向布阵而成，具有指向性开角大、开角与频率无关的特点，其工作频率通常在十几khz至几百khz。弧形发射换能器广泛应用于多波束测深仪、图像声纳、探测声纳等领域。

弧形发射换能器阵的水平指向性是恒定波束开角的，但在波束范围内存在连续的起伏，震荡幅度由中心向两侧逐渐增大，在波束边缘处起伏最大，起伏通常达到6db左右，这是因为弧形发射换能器阵受到端点半波带的影响。这种情况的出现使弧形发射换能器阵在使用的时，声能辐射不均匀，导致接收器接收到信号大小存在起伏，从而降低图像质量。

为了减少弧形发射换能器阵指向性起伏，有很多的学者对换能器阵进行加权处理研究，对压电陶瓷颗粒、电极等进行加权处理，目的都是减少端点半波带的影响。对压电陶瓷颗粒加权要求每一个压电陶瓷颗粒都要引出信号线，这样会使得弧形发射换能器阵的制作存在非常大困难，几乎无法实现；对电极加权，需要增加制作模具，增加工艺制作部序。通过控制压电陶瓷颗粒的中心距，在布阵中心距上进行加权设计，容易实现，同时也可容易获得降低弧形指向性起伏的满意效果。

现有技术中如发明专利《一种换能器的弧形阵及制作方法》介绍了弧形阵的制作方法，用该方法制作的弧形换能器阵在个陶瓷基元均匀布置的情况下，计算得到弧形换能器阵的指向性起伏为5.5db，起伏较大对于弧形换能器的应用带来较大影响。对于一种低指向性起伏弧形发射换能器阵，目前没有发现与本发明相同类产品存在，也没有发现有同类方法在文件与文献中存在。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供低指向性起伏弧形发射换能器阵，解决现有的弧形发射换能器阵指向性起伏大的问题。

本发明的目的是这样实现的：

低指向性起伏弧形发射换能器阵，包括聚氨酯橡胶、压电陶瓷颗粒、椭圆形基底、柔性电极层；压电陶瓷颗粒正极面粘接在柔性电极层上；粘有压电陶瓷颗粒的柔性电极层粘接在椭圆形基底上；压电陶瓷颗粒之间的缝隙填充环氧树脂；压电陶瓷颗粒的正极涂覆导电胶并引出导线；柔性电极层引出导线；换能器整体全部用聚氨酯橡胶包覆。

所述的压电陶瓷颗粒的正极面均匀等间距粘接在柔性电极层上。

所述的压电陶瓷颗粒的负极面之间的中心距从椭圆中间向两端逐渐增加，到端部处中心距最大。

所述的压电陶瓷颗粒的振动方向垂直于椭圆面粘接点处的切线。

所述的压电陶瓷颗粒的谐振频率在80khz至1000khz之间。

所述的椭圆形基底采用硬质泡沫或其他隔振去耦材料加工而成。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明解决了常规圆弧形发射换能器阵水平指向性起伏较大的问题，采用沿椭圆面布阵压电陶瓷颗粒可使弧形发射换能器阵的水平指向性起伏控制在3db以内；

(2)本发明可改善弧形发射换能器的指向性图，方法简单、容易操作、效果明显；

(3)本发明设计巧妙，结构简单，制作方便且水平指向性起伏较小。

附图说明

图1为本发明实施例的一种低指向性起伏弧形发射换能器阵结构示意图；

图2为均匀布阵的圆弧形发射换能器阵指向性图；

图3本发明实施例的弧形发射换能器阵指向性图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

图1是本发明实施例的低指向性弧形发射换能器阵的结构示意图；如图1的实施例所示，该装置包括：根据弧形发射换能器阵的工作频率，切割压电陶瓷材料得到压电陶瓷颗粒3；将压电陶瓷颗粒3正极面均匀等间距粘接在柔性电极层5上；将粘有压电陶瓷颗粒3的柔性电极层5粘接在椭圆形基底4上；对压电陶瓷颗粒3之间的缝隙用环氧树脂2填充；除去多余环氧树脂2；所有压电陶瓷颗粒3的正极涂覆导电胶，并引出导线7；从柔性电极层引出导线6；换能器整体全部用聚氨酯橡胶1包覆。

本发明涉及水声换能器技术领域，具体涉及一种低指向性起伏弧形发射换能器阵。设计压电陶瓷颗粒的规格和尺寸；将压电陶瓷颗粒正极面均匀等间距粘接在柔性电极层上；将粘有压电陶瓷颗粒的柔性电极层粘接在椭圆形基底上；压电陶瓷颗粒负极面之间的中心距从椭圆形中间向两端逐渐增加；压电陶瓷颗粒之间用环氧树脂填充；所有压电陶瓷颗粒的负极并联并引出导线，正极导线从柔性电极层上引出；换能器整体全部用聚氨酯橡胶进行水密封装。本发明具有设计巧妙，工艺实现简单，弧形发射换能器阵指向性起伏低的优点，可在多波束测深仪、图像声纳、探测声纳等领域广泛使用。

根据系统需要的工作频率，选定压电陶瓷的材料和尺寸，通过切割得到压电陶瓷颗粒的规格和尺寸。根据弧形发射换能器阵需要的水平指向性开角，设计基底的尺寸，仿真确定椭圆形基底的长轴和短轴尺寸。按照设计尺寸加工基底。将压电陶瓷颗粒均匀等间距粘接在一个可弯曲的柔性电极层上，确保与基底粘接面的中心距均匀布置。然后将带有压电陶瓷颗粒的柔性电极层粘接在椭圆形基底上，保证每一个压电陶瓷颗粒贴合在椭圆形面上，使得陶瓷颗粒的振动方向垂直于椭圆面粘接点处切线。

将压电陶瓷颗粒之间的缝隙用环氧树脂胶水进行填充，然后除去多余环氧树脂。所有压电陶瓷颗粒的正极涂覆导电胶，并引出导线，从柔性电极上引出负极导线。换能器阵装配完成之后进行聚氨酯整体包覆，进行水密封装，然后在消声水池测试其电声性能。作为对比，将圆弧形发射换能器阵和本发明例的弧形发射换能器阵的100khz水平指向性给出，对比图2和图3的指向图数据，可以发现本发明实施例的弧形发射换能器阵的水平指向性起伏明显小。

本发明采用的技术方案为：根据弧形发射换能器阵的工作频率，切割压电陶瓷材料得到压电陶瓷颗粒；将压电陶瓷颗粒正极面均匀等间距粘接在柔性电极层上；将粘有压电陶瓷颗粒的柔性电极层粘接在椭圆形基底上；对压电陶瓷颗粒之间的缝隙用环氧树脂填充；除去多余环氧树脂；所有压电陶瓷颗粒的正极涂覆导电胶，并引出导线；从柔性电极层引出导线；换能器整体全部用聚氨酯橡胶包覆。

作为优选，压电陶瓷颗粒的振动方向垂直于椭圆面粘接点处的切线。

作为优选，压电陶瓷颗粒的谐振频率在80khz至1000khz之间。

作为优选，压电陶瓷颗粒的负极面之间的中心距从椭圆中间向两端逐渐增加，到端部处中心距最大。

作为优选，椭圆形基底采用硬质泡沫或其他隔振去耦材料加工而成。

与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明解决了常规圆弧形发射换能器阵水平指向性起伏较大的问题，采用沿椭圆面布阵压电陶瓷颗粒可使弧形发射换能器阵的水平指向性起伏控制在3db以内。现有技术中如发明专利《一种换能器的弧形阵及制作方法》介绍了弧形阵的制作方法，用该方法制作的弧形换能器阵在个陶瓷基元均匀布置的情况下，计算得到弧形换能器阵的指向性起伏为5.5db，起伏较大对于弧形换能器的应用带来较大影响。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。