[发明专利]一种八波束宽带相控阵换能器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种八波束宽带相控阵换能器及其制备方法，包括：依次叠层设置的金属底座、背衬泡沫、复合材料压电片、匹配层；复合材料压电片包括多个压电阵子、以及填充于阵子之间的去耦材料，其中，压电阵子以稀疏相控阵方式进行布阵，压电阵子正负极分别设有电极片，用于施加不同相位的电信号，以在两个互相垂直的方向上各形成四个波束；匹配层包括多个匹配阵子、以及填充于阵子之间的去耦材料，其中，匹配阵子间隙与压电阵子间隙对齐且间距一致。本发明可实现在两个垂直方向上各有四个波束的八波束DVL，并且实现了宽带，不仅更有利于进行多普勒频移的计算，而且提高了接收的回波信号的信号强度，提高测量精度，减少测量盲区。

技术领域

本发明属于水声换能器技术领域，尤其涉及一种八波束宽带相控阵换能器及其制备方法。

背景技术

近年来，随着水下潜器，尤其是水下无缆潜器(AUV)领域的兴起，声学多普勒测速仪(DVL)的作用显得愈发重要。AUV想要在水下实现自主导航，其中速度测量单元是必不可少的，而测量速度目前最有效的手段就是通过DVL来获取。DVL的工作原理是利用相控发射技术，向海底沿载体的前后左右四个方向发射四个波束，声波到达海底或其他散射介质(水流层等)被反射，由于DVL与反射介质间的相对运动，回波信号的频率产生了多普勒频移，再通过相位延时补偿来进行波束形成，对各个通道的回波进行独立接收，再通过信号处理对多普勒频移解算，从而计算出载体与反射介质之间的相对速度。

当前，DVL在沿载体的前后和左右两个互相垂直的方向上各有两个波束，所收集的数据量有限，也限制了精度。因此，需要更多波束、精度更高的DVL解决方案。

发明内容

本发明为解决上述的技术问题，提供了一种八波束宽带相控阵换能器及其制备方法，本发明的技术方案为：

一种八波束宽带相控阵换能器，包括：依次叠层设置的金属底座、背衬泡沫、复合材料压电片、匹配层；

复合材料压电片包括多个独立的压电阵子、以及填充于各个压电阵子之间间隙的第一去耦材料，其中，压电阵子以稀疏相控阵进行布阵，压电阵子正负极分别设有电极片，用于施加不同相位的电信号，以在两个互相垂直的方向上各形成四个波束；

匹配层包括多个独立的匹配阵子、以及填充于各个匹配阵子之间间隙的第二去耦材料，其中，匹配阵子与压电阵子形状、尺寸一致，并且匹配阵子之间间隙与压电阵子之间间隙对齐且间距一致。

在其中一个实施例中，还包括防水透声层，防水透声层包覆金属底座、背衬泡沫、复合材料压电片、匹配层。

在其中一个实施例中，防水透声层可为环氧树脂或聚氨酯或橡胶。

在其中一个实施例中，压电阵子之间间距介于0.2λ到λ之间，其中，λ为中心频率所对应的波长。

在其中一个实施例中，复合材料压电片的材料为压电陶瓷或压电单晶或有机压电材料，第一去耦材料包括轻质泡沫、以及环氧树脂或聚氨酯或硅橡胶，第二去耦材料包括轻质泡沫、以及环氧树脂或聚氨酯或硅橡胶。

在其中一个实施例中，匹配层的材料为环氧材料或加入金属粉末/陶瓷粉末的环氧材料，匹配层的声学特性阻抗介于2兆瑞利到7.5兆瑞利之间，匹配层中的声速为1500m/s到4500m/s之间。

在其中一个实施例中，复合材料压电片与背衬泡沫径向对齐且边缘互相粘接，其中，复合材料压电片与背衬泡沫之间的周围缝隙经硅橡胶填满；

背衬泡沫与金属底座径向对齐且边缘互相粘接，其中，背衬泡沫与金属底座的周围缝隙经硅橡胶填满。

一种如上述任意一实施例所述的八波束宽带相控阵换能器的制备方法，包括以下步骤：

S1：对一压电片进行切割，形成多个独立的压电阵子，其中，压电阵子以稀疏相控阵进行布阵；