[发明专利]一种合成孔径用宽带换能器

说明书

技术领域

本发明属于水下探测和成像技术领域，具体地说，本发明涉及一种宽带换能器。

背景技术

合成孔径声纳(Synthetic Aperture Sonar，简称SAS)技术是在合成孔径雷达技术的基础上发展起来的，由于能够在小孔径阵上提高分辨率获取高质量的探测和图像，一直以来成为国内外竞相研究的重点。目前已广泛用于掩埋目标探测、水下失落物搜寻以及海底地貌测绘等各方面，其工作的原理主要是利用装有声基阵的载体在直线匀速运动中的信号作相干合成，从而得到比实际物理声阵大几倍的虚拟阵来获得高分辨率和高增益。采用这种技术时，需要阵元在横向(即垂直运动方向)上具有足够的宽带响应以保证可以采用脉冲压缩技术来提高横向的分辨率，因而宽带收发换能器的制作也就成为合成孔径声纳系统的一个关键技术所在。

宽带换能器结构形式的选取与工作频率密切相关。当工作频率高于100KHz时，纵阵结构的换能器由于尺寸过小而难以实现，采用较多的是厚度振动的单片型收发换能器。由于常规厚度振动的单片型换能器的灵敏元件工作时的频率与厚度是成反比的(灵敏元件的厚度频率与厚度的乘积是个常数，通常称之为厚度频率常数，压电陶瓷的厚度频率常数大致在1900Hz·m)，因此，频率越低，需要灵敏元件的厚度尺寸就会越大。常规灵敏元件采用的是压电陶瓷，它在制作过程需要进行直流高压的极化处理，就是在厚度方向加上一定时间的高直流电压。极化处理的直流电压大小与压电陶瓷元件的尺寸是成正比的。压电陶瓷元件的厚度越大，需要施加的直流电压越高，相应的电压设备会变得更复杂和要求更苛刻；另外一方面，压电陶瓷元件本身的耐压能力随厚度的增加是下降的，因此，极化电压越高越容易被击穿，导致成品率会特别低，甚至于完全无法制作出来。正是由于使用频率和元件尺寸及制作上的原因，制作100KHz-200KHz的厚度振动的单片型换能器是很困难的。比如，150KHz谐振频率的厚度振动的单片式换能器，采用常规灵敏元件压电陶瓷的厚度尺寸至少需要15mm左右，这超出了压电陶瓷元件10mm左右厚度的常规极化能力，结果往往不是极化不够充分导致压电性能较低，就是极化过程中压电陶瓷元件被大电压所击穿而完全无法制作出来。此外，为了实现带宽的拓宽，厚度振动的单片型换能器往往采用多模态耦合的匹配层技术，就是在换能器辐射面和水介质之间增加一层或多层具有一定声特性的阻抗匹配层。在实际制作带有匹配层的换能器时，由于增加了粘结或灌注匹配层的工序，整个换能器的工艺变得复杂和不容易控制。

发明内容

本发明利用复合的灵敏元件的低频率常数和低Q特点，克服现有技术制作100-200KHz频率下的常规灵敏元件的困难，同时避免采用复杂难控的匹配技术，从而实现一种结构简单紧凑、经济实用的合成孔径用宽带换能器。

为实现上发明目的，本发明提供的宽带换能器，包括外壳，安装于外壳内的支持板，安装在支持板中心的压电元件，所述压电元件由3-3结构复合压电陶瓷制成；固定在压电元件上侧的透声层；固定于外壳底部开口处的包裹层。

上述技术方案中，所述支持板为硬质泡沫塑料。

上述技术方案中，所述支持板与外壳底部之间形成空腔，该空腔由空气填充，起软障板的作用。

上述技术方案中，所述压电灵敏元件为圆片形或方形片，其上下表面分别连接导电线，所述导电线从外壳底部的水密包裹层引出。

上述技术方案中，所述外壳横截面为圆形。

上述技术方案中，所述压电灵敏元件的上下表面均具有导电银层。

上述技术方案中，所述外壳采用不锈钢材料制作。

上述技术方案中，所述透声层采用聚氨酯橡胶制成。

上述技术方案中，所述包裹层采用丁基橡胶制成。

上述技术方案中，所述压电元件的上表面连接信号线，下表面连接屏蔽接地线。

本发明具有如下的技术效果：

1、本发明所采用的压电灵敏元件为具有多孔结构的3-3复合压电陶瓷，其频率常数不到常规压电陶瓷的一半(约为800Hz·m)，因此，元件尺寸可以减薄一半以上，对于相应的高频元件在制作工艺上就很容易实现。

2、本发明所采用的压电灵敏元件，由于具有径向模式受到了复合形式的抑制，振动模态单一；此外由于声阻抗低使得制成换能器后的机械品质因素Q很低，其水下机械品质因素小于6，因而可以利用其自身的振动模式直接实现宽带，无需增加其他工序，工艺简单易行。