中水多波束声基阵高压馈电装置的制作方法

1.本实用新型涉及水域探测技术领域，尤其涉及一种中水多波束声基阵高压馈电装置。


背景技术：

2.中水多波束声基阵是中水多波束探测系统中的重要组成部分，其通过电-声转换以输出声功率，以便实现中水水下探测。中水多波束系统的水下探测距离超过3000米，综合考量声衰减、接收换能器的接收灵敏度以及接收机特性等参数，保证一定的接收信号阈值，需要尽可能提高发生声源级。而在中水多波束声基阵的发送电压响应确定的条件下，提高声源级唯一的方法是提高中对水多波束声基阵中的压电陶瓷基元的馈电电压。
3.相关技术中，为了实现对压电陶瓷基元的持续高压馈电，通常在发射机的内部布放升压变压器，由升压变压器对发射机的输出电压进行升压后对压电陶瓷基元进行馈电，以确保中水多波束声基阵的正常工作。但是，在该方式下，升压变压器与声基阵之间的连接线缆的额定工作电压等于升压变压器的次级电压，远远大于工程中常用线缆的耐压值，这就需要增加连接线缆的厚度，或者采用特质的连接线缆，进而增加制造成本。


技术实现要素：

4.本实用新型实施例的目的提供一种中水多波束声基阵高压馈电装置，用于解决相关技术中的馈电方式需增加连接线缆的厚度或者采用特质的连接线缆而导致制造成本增加的问题。
5.为了实现上述目的，本实用新型实施例采用下述技术方案：
6.本实用新型实施例提供一种中水多波束声基阵高压馈电装置，包括：
7.声基阵，所述声基阵集成有m个升压变压器和m个压电陶瓷基元，所述m个升压变压器与所述m个压电陶瓷基元一一对应，m为大于1的整数，每个升压变压器包括初级线圈和次级线圈，每个压电陶瓷基元与自身对应的升压变压器的次级线圈电气连接；
8.发射机，所述发射机分别与所述m个升压变压器各自的初级线圈电气连接。
9.可选地，所述发射机包括m个处理器、m个信号发生器以及m个功率放大器，所述m个处理器、所述m个信号发生器、所述m个功率放大器以及所述m个升压变压器之间一一对应；
10.每个功率放大器的输出端与自身对应的升压变压器的初级线圈电气连接；
11.每个信号发生器的输入端与自身对应的处理器的输出端电气连接，每个信号发生器的输出端与自身对应的功率放大器的输入端电气连接。
12.可选地，每个功率放大器的输出端与自身对应的升压变压器的初级线圈之间通过rvvp屏蔽线缆电气连接，所述rvvp屏蔽线缆的额定电压大于500vac。
13.可选地，所述声基阵还包括电路板、第一电气连接端以及第二电气连接端，所述第一电气连接端与所述第二电气连接端之间电气连接，所述第一电气连接端设置在所述电路板上；
14.每个升压变压器的次级线圈与所述第二电气连接端电气连接，每个压电陶瓷基元与所述第一电气连接端电气连接。
15.可选地，每个压电陶瓷基元的表面形成有馈电点，所述第一电气连接端上设置有m个馈电电极，所述m个馈电电极与所述m个压电陶瓷基元一一对应，每个馈电电极与自身对应的压电陶瓷基元的表面形成的馈电点之间电气连接。
16.可选地，所述馈电点包括信号电极和地电极；
17.每个压电陶瓷基元的表面形成的馈电点中的信号电极与该压电陶瓷基元对应的导电电极之间电气连接，每个压电陶瓷基元的表面形成的馈电点中的地电极接地。
18.可选地，所述电路板为柔性电路板。
19.可选地，所述第二电气连接端包括排针以及与所述排针相适配的排母，所述排母布设在所述电路板上，每个升压变压器的次级线圈与所述排针的一个引脚电气连接。
20.可选地，所述排针包括沿第一方向和第二方向阵列排布的多个引脚，所述第一方向与所述第二方向正交引脚；
21.沿所述第一方向排布的多个引脚中、用于连接升压变压器的次级线圈的引脚之间间隔一个引脚；
22.沿所述第二方向排布的多个引脚中、用于连接升压变压器的次级线圈的引脚之间间隔一个引脚。
23.可选地，所述排针的相邻两个引脚之间的间距为2.0mm、2.54mm以及3.96mm中的任一种。
24.本实用新型实施例采用的上述至少一个技术方案能够达到以下有益效果：采用与声基阵中的m个压电陶瓷基元一一对应的m个升压变压器，且每个升压变压器的次级线圈与对应的一个压电陶瓷基元电气连接，每个升压变压器的初级线圈与发射机电气连接，由此实现m（m为大于1的整数）个升压变压器为m个压电陶瓷基元并行馈电，来满足声基阵中压电陶瓷基元的持续高压馈电需求；在此基础上，将m个升压变压器与m个压电陶瓷基元集成在声基阵中，使得升压变压器与声基阵之间的连接线缆的额定工作电压等于升压变压器的初级电压，由此，通过设计升压变压器的变比，不仅可以使该连接线缆的额定工作电压小于工程中常用线缆的耐压值，使得升压变压器与声基阵之间的连接线缆可采用工程中常用的线缆，有利于降低制造成本，提高中水多波束声基阵高压馈电装置的通用性，还可以降低发射机对于高压电源的要求，节省能源，优化性能。
附图说明
25.此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
26.图1为本实用新型的一个实施例提供的一种中水多波束声基阵高压馈电装置的结构示意图；
27.图2为本实用新型的另一个实施例提供的一种中水多波束声基阵高压馈电装置的结构示意图；
28.图3为本实用新型的一个实施例提供的一种排针的引脚的示意图；
29.图4为本实用新型的另一个实施例提供的一种排针的引脚的示意图；
30.图5为本实用新型的又一个实施例提供的一种排针的引脚的示意图。
31.附图标记说明：
32.1-声基阵、11-压电陶瓷基元、12-升压变压器、13-电路板、131-馈电电极、
33.2-发射机、21-处理器、22-信号发生器、23-功率放大器。
具体实施方式
34.为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型具体实施例及相应的附图对本实用新型技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
35.本说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应理解，这样使用的数据在适当的情况下可以互换，以便本实用新型实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，本说明书和权利要求书中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”一般表示前后关联的对象是一种“或”的关系。
36.如背景技术中所述，中水多波束系统的水下探测距离超过3000米，综合考量声衰减、接收换能器的接收灵敏度以及接收机特性等参数，保证一定的接收信号阈值，需要尽可能提高发生声源级。而中水多波束声基阵的发射声源级（sl，db）与馈电电压（u，v）之间关系为，其中，表示发射声源级，单位为db；表示对压电陶瓷基元的馈电电压，单位为v；表示中水多波束声基阵的发送电压响应，单位为pa
·
m/v。由此可见，在在中水多波束声基阵的发送电压响应确定的条件下，提高声源级唯一的方法是提高中对水多波束声基阵中的压电陶瓷基元的馈电电压。
37.相关技术中，为了实现对压电陶瓷基元的持续高压馈电，通常在发射机的内部布放升压变压器，由升压变压器对发射机的输出电压进行升压后对压电陶瓷基元进行馈电，以确保中水多波束声基阵的正常工作。但是，在该方式下，升压变压器与声基阵之间的连接线缆的额定工作电压等于升压变压器的次级电压，远远大于工程中常用线缆的耐压值，这样就需要增加连接线缆的厚度，或者采用特质的连接线缆，进而增加制造成本。
38.有鉴于此，本实用新型实施例旨在提出一种中水多波束声基阵高压馈电装置，采用与声基阵中的m个压电陶瓷基元一一对应的m个升压变压器，且每个升压变压器的次级线圈与对应的一个压电陶瓷基元电气连接，每个升压变压器的初级线圈与发射机电气连接，由此实现m（m为大于1的整数）个升压变压器为m个压电陶瓷基元并行馈电，来满足声基阵中压电陶瓷基元的持续高压馈电需求；在此基础上，将m个升压变压器与m个压电陶瓷基元集成在声基阵中，使得升压变压器与声基阵之间的连接线缆的额定工作电压等于升压变压器的初级电压，由此，通过设计升压变压器的变比，不仅可以使该连接线缆的额定工作电压小于工程中常用线缆的耐压值，使得升压变压器与声基阵之间的连接线缆可采用工程中常用的线缆，有利于降低制造成本，提高中水多波束声基阵高压馈电装置的通用性，还可以降低
发射机对于高压电源的要求，节省能源，优化性能。
39.以下结合附图，详细说明本实用新型各实施例提供的技术方案。
40.请参见图1，为本实用新型的一个实施例提供的一种中水多波束声基阵1高压馈电装置的结构示意图，该装置可以包括声基阵1和发射机2。
41.其中，声基阵1集成有m个压电陶瓷基元11和m个升压变压器12，m个升压变压器12与m个压电陶瓷基元11一一对应，m为大于1的整数。每个升压变压器12包括初级线圈和次级线圈，每个压电陶瓷基元11与自身对应的升压变压器12的次级线圈电气连接。发射机2分别与m个升压变压器12各自的初级线圈电气连接。
42.实际应用中，m的取值可以根据实际需要进行设置，例如m=1024等，本实用新型实施例对此不作限定。
43.在需要驱动声基阵1工作时，发射机2输出的电压u/n经过各个升压变压器12（变比为1：n）升压后形成馈电电压u，该馈电电压u被加载至对应的压电陶瓷基元11，驱动压电陶瓷基元11进行电-声转换以输出声功率，以便实现中水多波束探测。
44.本实用新型实施例中，发射机2可以具有任意适当的结构，具体可根据实际需要进行设置，本实用新型实施例对此不作限定。可选地，如图1所示，发射机2可以包括m个处理器21、m个信号发生器22以及m个功率放大器23。其中，m个处理器21、m个信号发生器22、m个功率放大器23以及m个升压变压器12之间一一对应，每个功率放大器23的输出端与自身对应的升压变压器12的初级线圈电气连接，每个信号发生器22的输入端与自身对应的处理器21的输出端电气连接，每个信号发生器22的输出端与自身对应的功率放大器23的输入端电气连接。
45.示例地，如图1所示，功率放大器1的输出端与升压变压器1的输入端电气连接，信号发生器1的输入端与处理器1的输出端电气连接，信号发生器1的输出端与功率放大器1的输入端电气连接，由此，处理器1可根据用户指令，控制信号发生器1发送相应的电信号，该电信号经功率放大器1放大后输送至升压变压器1进行升压，升压后的电信号被加载至压电陶瓷基元1，从而压电陶瓷基元1工作；功率放大器m的输出端与升压变压器m的输入端电气连接，信号发生器m的输入端与处理器m的输出端电气连接，信号发生器m的输出端与功率放大器m的输入端电气连接，由此，处理器m可根据用户指令，控制信号发生器m发送相应的电信号，该电信号经功率放大器m放大后输送至升压变压器m进行升压，升压后的电信号被加载至压电陶瓷基元m，从而压电陶瓷基元m工作。
46.在上述图2所示的发射机2中，每个功率放大器23的输出端与自身对应的升压变压器12的初级线圈之间可通过任意适当的方式电气连接，具体可根据实际需要进行选择，本实用新型实施例对此不作限定。可选地，如图1和图2所示，为了降低制造成本，提高中水多波束声基阵1高压馈电装置的通用性，每个功率放大器23的输出端与自身对应的升压变压器12的初级线圈之间可通过工程中常用的rvvp屏蔽线缆电气连接。进一步，考虑到实际应用中常常将升压变压器12的变比设计为1：5，因而升压变压器12的初级电压通常为500vac，基于此，上述rvvp屏蔽线缆可以采用额定电压大于500vac的rvvp屏蔽线缆，例如标准的额定电压为600vac的rvvp屏蔽线缆等。
47.值得说明的是，图2中仅以发射机2与一个升压变压器12之间的电气连接进行示意。另外，实际应用中，每个功率放大器23的输出端与自身对应的升压变压器12的初级线圈
之间的rvvp屏蔽线缆可以包括p（p为正整数）根m/p芯rvvp线缆。
48.本实用新型实施例中，声基阵1可以具有任意适当的结构，具体可根据实际需要进行设置，本实用新型实施例对此不作限定。
49.可选地，为了便于在声基阵1制造、组装以及测试过程中分别验证压电陶瓷基元11及升压变压器12各自的完好性，如图2所示，每个压电陶瓷基元11与其对应的升压变压器12的次级线圈之间可采用可分离设计。具体而言，如图2所示，声基阵1还包括电路板13、第一电气连接端和第二电气连接端，其中，第一电气连接端与第二电气连接端之间电气连接（如图2中第一电气连接端与第二电气连接端之间的虚线所示），第二电气连接端设置在电路板13上，每个升压变压器12的次级线圈与第二电气连接端电气连接，每个压电陶瓷基元11与第一电气连接段电气连接。
50.在上述图2所示的声基阵1中，驱动声基阵1工作的过程如下：发射机2输出的电压u/n经过各个升压变压器12（变比为1：n）升压后形成馈电电压u，该馈电电压u经过第二电气连接端与第一电气连接端之间的电气连接，被加载至对应的压电陶瓷基元11，驱动压电陶瓷基元11进行电-声转换以输出声功率，以便实现中水多波束探测。
51.在上述图2所示的声基阵1中，电路板13可以采用任意适当的类型的电路板，具体可根据实际需要进行选择，本实用新型实施例对此不作限定。可选地，电路板13可以为柔性电路板（flexible printed circuit，fpc）。可以理解的是，柔性电路板是以聚酰亚胺或聚脂薄膜为基材制成的一种具有高度可靠性、绝佳的可挠性印刷电路板，其具有配线密度高、重量轻、厚度薄以及弯折性好等特点，由此可以使压电陶瓷基元11与其对应的升压变压器12之间的电气连接具有耐高压、高可靠性、体积小等特性。
52.在上述图2所示的声基阵1中，第一电气连接端和第二电气连接端可以采用任意适当的能够实现电气连接的端子，具体可根据实际需要进行选择，本实用新型实施例对此不作限定。可选地，第一电气连接端和第二电气连接端均可以采用电路板插接件、电路板连接器等中的任意一种。
53.可选地，考虑到在电路板接插件的引脚间距、体积满足要求的情况下，存在交流持续工作能力差、连接后无法准确判断是否正确连通、在线电气测试困难以及成本高等问题，而电路板连接器虽然具有耐高压的特点，但存在体积大、成本高的问题，为此，第二电气连接端可以包括排针以及与排针相适配的排母，排母布设在电路板13上，每个升压变压器12的次级线圈与排针的一个引脚电气连接。由此，可利用排针与排母之间的可拆卸连接，实现在满足每个压电陶瓷基元11与其对应的升压变压器12的次级线圈之间可分离设计的基础上，使压电陶瓷基元11与其对应的升压变压器12之间的电气连接具有耐高压、高可靠性、体积小、支持在线电气测试、易加工以及成本低等特性。
54.本实用新型实施例中，排针的类型可以根据实际需要进行选择，本实用新型实施例对此不作限定。示例地，排针可以采用标准2.0mm、2.54mm或者3.96mm间距排针，也即排针的相邻两个引脚之间的间距为2.0mm、 2.54mm、3.96mm中的任一种。排针的排数可以选择双排、三排或四排等。
55.本实用新型实施例中，m个升压变压器12的次级线圈与排针的引脚之间可以采用任意适当的方式电气连接，具体可根据实际需要进行设置，本实用新型实施例对此不作限定。
56.可选地，排针可以采用具有多排引脚的排针，也即排针包括沿第一方向和第二方能行阵列排布的多个引脚，第一方向与第二方向正交。其中，沿第一方向排布的多个引脚中、用于连接升压变压器12的次级线圈的引脚之间间隔一个引脚，沿第二方向排布的多个引脚中、用于连接升压变压器12的次级线圈的引脚之间间隔一个引脚。
57.示例地，如图3所示，假设排针包括三排引脚，那么，第一排引脚中标记为1#、2#、7#、8#、13#以及14#的各个引脚分别用于连接一个升压变压器12的次级线圈，第二排引脚中标记为3#、4#、9#、10#、15#以及16#的各个引脚分别用于连接一个升压变压器12的次级线圈，第三排引脚中标记为5#、6#、11#、12#、17#以及18#的各个引脚分别用于连接一个升压变压器12的次级线圈，排针中标记为
“×”
的引脚表示不连接升压变压器12的次级线圈。
58.如图3和图4所示，通过将排针中标记为
“×”
的引脚去除，用于连接升压变压器12的次级线圈的排针之间的间距增大，且排针中的用于连接升压变压器12的次级线圈的排针的利用率为50%。
59.考虑到在不考虑材料特性的情况下，排针的相邻两个引脚之间的间距决定了排针的耐压数值，因而在相同条件下，增加相邻两个引脚之间的间距可以提高排针的耐压值。依据此理论，2.0mm间距及2.54mm间距排针的标称交流耐压有效值通常为500 vac ~600vac，而3.96mm间距排针的标称交流耐压有效值通常为1500vac。如图5所示，以一种三排2.54mm间距、180度针脚排针排母为例，1#引脚与2#引脚之间的间距l0=2.54mm，1#引脚与3#引脚之间的l1=2.54mm，二者耐压值均为500vac~600vac。进一步，根据勾股定理，2#引脚与3#引脚之间的间距l2≈3.6mm，其实际交流耐压有效值约1000vac，经试验验证，其交流耐压有效值可达1300vac以上。
60.由此可见，通过在m个升压变压器12的次级线圈与排针的引脚之间采用上述方式电气连接，不仅可以提升布线空间，降低布线难度，且有利于充分暴露排针中的电气测试点，从而支持快速在线测试电气对接中每条电通路的完好性功能，还可以显著提高排针的耐压值，从而提高m个升压变压器12与m个压电陶瓷基元11之间电气连接的可靠性。
61.本实用新型实施例中，声基阵1中的压电陶瓷基元11与第一电气连接端之间可采用任意适当的连接方式电气连接，具体可根据实际需要进行选择，本实用新型实施例对此不作限定。
62.可选地，为了确保声基阵1中的压电陶瓷基元11与第一电气连接端之间的电气连接的可靠性，每个压电陶瓷基元11的表面形成有馈电点，第一电气连接端上设置有m个馈电电极131，m个馈电电极131与m个压电陶瓷基元11元一一对应，每个馈电电极131与自身对应的压电陶瓷基元11的表面形成的馈电点之间电气连接。值得说明的是，图1仅以第一电气连接端上的部分馈电电极131示意。
63.实际应用中，压电陶瓷基元11由无机非金属材料经几何加工而成，要想为压电陶瓷基元11馈电，可使用金属导线、金属引线或金属平面与压电陶瓷基元11形成电气连接。为了保证无机非金属材料与金属材料之间的可靠电气耦合连接，可在压电陶瓷表面利用银浆料烧结形成电极作为馈电点，馈电点可与陶瓷材料形成良好电耦合，接触电阻小，烧成的电极膜光亮、平滑、致密，具有一定平整度。当然，也可利用金属溅射工艺在压电陶瓷表面形成表面电极以作为馈电点。
64.可选地，压电陶瓷基元11上的馈电点可以包括信号电极和地电极，每个压电陶瓷
基元11的表面形成的馈电点中的信号电极与该压电陶瓷基元11对应的导电电极之间电气连接，每个压电陶瓷基元11的表面形成的馈电点中的地电极接地。
65.实际应用中，压电陶瓷基元11上的馈电点与馈电电极131之间可以粘接以形成电气连接。进一步，为了保证压电陶瓷基元11上的馈电点与馈电电极131之间粘接的可靠性，馈电点与馈电电极131之间施加导电胶，经施压固化后形成永久导电连接。当然，该方式需保证导电胶平整、紧密、无缝隙、高效、低电阻、大功率导电连接，否则将影响压电陶瓷基元11馈电效率及额定功率。
66.可选地，声基阵1还可以包括背衬、声匹配层以及表面层（比如声透镜）中的至少一种。其中，电路板13设置在背衬上，背衬采用优良吸声材料，用于提供声衰减；声匹配层用于提供压电陶瓷基元11与工作环境之间的声阻抗匹配，以达到最大功率辐射声信号；表面层（比如声透镜）用于保护换能器，一些场合可采用声透镜方式实现波束指向性。
67.本实用新型的一个或多个实施例提供的中水多波束声基阵高压馈电装置，采用与声基阵中的m个压电陶瓷基元一一对应的m个升压变压器，且每个升压变压器的次级线圈与对应的一个压电陶瓷基元电气连接，每个升压变压器的初级线圈与发射机电气连接，由此实现m（m为大于1的整数）个升压变压器为m个压电陶瓷基元并行馈电，来满足声基阵中压电陶瓷基元的持续高压馈电需求；在此基础上，将m个升压变压器与m个压电陶瓷基元集成在声基阵中，使得升压变压器与声基阵之间的连接线缆的额定工作电压等于升压变压器的初级电压，由此，通过设计升压变压器的变比，不仅可以使该连接线缆的额定工作电压小于工程中常用线缆的耐压值，使得升压变压器与声基阵之间的连接线缆可采用工程中常用的线缆，有利于降低制造成本，提高中水多波束声基阵高压馈电装置的通用性，还可以降低发射机对于高压电源的要求，节省能源，优化性能。
68.上述对本说明书特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程不一定要求示出的特定顺序或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
69.总之，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
70.需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
71.本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。