子阵列换能器设备及方法
【专利说明】
[00011 优先权
[0002] 本申请案主张共同拥有的在2014年8月15日申请的相同标题的第14/460,853号美 国专利申请案的优先权益，所述申请案主张2013年8月15日申请的相同标题的第61/866， 453号美国临时专利申请案的优先权益，前述申请案中的每一者的全部内容是以引用方式 并入本文。
[0003] 版权
[0004 ]本专利文件的揭示的部分包括受版权保护的材料。版权所有者不反对任何人复制 与专利和商标局的专利文档或记录中显示的一致的本专利文件或专利揭示，但是另外无论 如何保留所有的版权权利。
技术领域
[0005] 本发明涉及声学且在某些示范性方面涉及应用于水性信道流体流速度及信道排 放测量的声换能器及声学多普勒系统(例如，声学多普勒流速剖面仪或ADCP)。
【背景技术】
[0006] 声纳换能器当前用于测量二维或三维的速度及/或距离的不同类型的声反向散射 系统。余(Yu)等人在1998年9月15日发布且标题是"二维阵列换能器及波束形成器(Two-dimensional array transducer and beamformer)"的第5,808,967号美国专利（下文称为 "'967号专利"）中揭示了一种这样的声纳换能器，所述专利的全部内容是以引用方式并入 本文中，所述专利揭示了声平面阵列换能器，其沿单个二维（"2D"）相控阵列换能器的两个 轴以单个或相对狭窄的频率范围形成多个波束。'967号专利揭示了一种声阵列换能器，由 此一对波束是通过将波束形成器连接到换能器的一侧上的第一组电极而形成，且另一对是 通过将第二波束形成器连接到换能器的另一侧上的第二组电极而形成。换能器的一侧上的 电极沿相对于换能器的另一侧上的电极成正交方向延展。
[0007] 为了在发射及接收信道两者上同时并独立地形成每一对波束，使用两个分离且独 立的发射波束形成器及两个分离且独立的接收波束形成器。发射/接收开关还用于将一个 发射波束形成器及一个接收波束形成器连接到换能器的一侧上的电接触件。然而，此途径 固有地必需双侧电极互连来用于声学多普勒流速剖面（"ADCP"）或其它2D阵列声纳应用，从 制造、成本及操作/应用前景来看，这可能是成问题的。具体来说，此类2侧装置的制造可过 度复杂且昂贵。此外，驱动此类装置需要的操作电压可能相当高，因此不利地影响功耗及人 身安全两者。
[0008] 因此，明显需要可提供至少相当于现有技术(例如在'967号专利中）的波束形成性 能但是例如提供更简单或更应用友好的技术途径的换能器阵列。理论上，此途径将提供显 著降低的驱动电压(及因此功耗）以及提供增强的人身安全及关于处置较低施加电压的降 低设计/构造要求，借此给此改善的换能器阵列系统的组件提供例如增强的持久性。
【发明内容】
[0009]本发明满足前述要求且具体来说在本文中描述的一个示范性方面中涉及一种单 侧电极技术，其可尤其用作对用于二维（2D)阵列的现有技术的双侧行/列电极互连的替代 或取代，比如(例如）用于产生多个(例如，四（4)个或更多个波束）以供例如声学多普勒流速 剖面声纳(ADCP)的应用或使用具有多个N x X Ny子阵列的单个2D相控阵列换能器的其它2D 阵列应用的目的。
[0010]在本发明的另一方面，揭示了一种能够形成多个发射及/或接收波束的声系统。在 一个实施例中，所述系统包括具有多个实质上类似子阵列的平面换能器阵列，每一子阵列 具有多个(例如四乘以四（4χ 4))声元件。
[0011] 另一方面，揭示了 一种构造与子阵列元件电介接的单侧方法的方法，其中子阵列 元件的一侧独立地电互连，且第二(第2)侧上的电极全部与共同电平面并联连接，因此需要 16个(加上共同）电互连来用于四乘以四（4χ 4)子阵列。
[0012] 另一方面，揭示了一种波束形成器配置。
[0013] 另一方面，揭示了一种与在两侧上独立地电连接的子阵列元件电介接的双侧方 法。在一个变体中，换能器子阵列元件互连在平面阵列的两侧上（例如，使用相同互连图 案）。两侧上的施加及/或接收信号可为一百八十度（180°)异相，允许进行差分电接合。此途 径在示范性配置中需要2Ν Χ X 2Ny个电互连，但是与单侧发射驱动相比有利地将每一侧上施 加发射(驱动）电压需求降低了两倍以实现相同的换能器阵列输出功率。
[0014] 在2侧途径的另一方面中，可施加许多不同的施加AC电压于每一侧，提供相对于单 侧途径的扩展灵活性。
[0015] 在又另一方面，揭示了一种声设备。在一个实施例中，所述设备包括至少一个波束 形成器电路;及换能器元件的阵列，其包括重复单侧电极(SSE)图案。
[0016] 在另一实施例中，所述设备包括至少一个波束形成器电路;及换能器元件的阵列， 其包括双侧电极图案。换能器元件的阵列经配置使得施加于其第一侧的第一驱动电压与施 加于其第二侧的第二驱动电压异相。
[0017] 在又另一实施例中，所述设备包括:换能器元件的多个实质上相同的N X N子阵 列；及至少一个发射及接收波束形成器。所述多个子阵列内的所述换能器元件中的每一者 与所述实质上相同的N X N子阵列中的其它者内的其对应位置处的一个或多个其它换能器 元件电互连在一起。
【附图说明】
[0018] 本发明的特征、目的及优点根据下文结合图式陈述的详细描述而将变得更显而易 见，其中：
[0019] 图1到li说明根据本发明的用于四乘以四（4x4)子阵列的一个实施例的多个示范 性(样本)相图案。
[0020] 图2(a)到2(d)是多个(例如，四（4)个)声束中的每一者的独立产生的示范性电极 图案的图形表示，所述电极图案被标示为水平及垂直"Γ波束阵列图案（分别在图2(a)和2 (b)中）及水平及垂直"Q"波束阵列图案(分别在图2(c)和2(d)中）。
[0021] 图3是产生图2的多个(例如，四（4)个)声束中的每一者所需要的唯一的四（4)个四 乘以四（4x 4)子阵列的示范性电极图案的图形表示，电极图案分别被标示为水平及垂直平 面中的"Γ及"Q"。
[0022] 图4是经配置以同时产生多个(例如，四（4)个)ADCP发射波束的示范性加总电极图 案的图形表示。
[0023]图5是根据本发明的由多个四乘以四（4x 4)子阵列组成的三十二乘以三十二 (32x32)阵列的示范性实施例的图形表示。
[0024]图6是使用双侦彳(例如，红色及黑色）印刷电路板（"PCB"）以利用十六（16)个互连线 将多个四乘以四（4x 4)子阵列互连的示范性2D阵列互连配置的图形表示。
[0025]图7是具有二十四（24)个四（4x 4)子阵列及相关波束形成器的示范性2D换能器阵 列的图形表示。
[0026]图8是示范性2D子阵列换能器配置的图形表示，其示出了由此形成的各种波束。
[0027]本文中揭不的所有图是?Copyright 2013-2014 Rowe Technologies, Inc(罗威 技术有限公司）。保留所有版权。
【具体实施方式】 [0028] 概述
[0029] -方面，揭示了用于从由一或多个相同子