專利名稱：一種高頻密排壓電薄膜水聽器基陣及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水聲換能器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于水下相控陣攝像聲納的高頻水聽器基陣及其制備方法。
背景技術(shù)：
高分子壓電薄膜典型代表為PVDF (聚偏氟乙烯)壓電薄膜。同壓電陶瓷相比，壓電薄膜具有柔軟、耐抗沖擊性能好、聲阻抗與水接近等優(yōu)點(diǎn)，因此:在微型高頻聲傳感器、血壓血流傳感器、拖曳線列陣水聽器等方面都有廣泛應(yīng)用。上個世紀(jì)70年代末國際上就開始了 PVDF水聽器技術(shù)的研究。研究方向主要集中于:(1)醫(yī)用超聲傳感器；(2)具備良好抗高波數(shù)能力的大面積PVDF水聽器，典型應(yīng)用例子是法國TMS2253舷側(cè)陣聲納水聽器模塊和適用于拖曳線列陣的圓管水聽器，主要是利用PVDF的高電壓壓電系數(shù)特性，提高水聽器的靈敏度及抗加速度響應(yīng)能力；(3)高頻接收水聽器，典型例子為探針型PVDF水聽器。近年來，國外進(jìn)一步利用PVDF壓電薄膜研制高頻接收陣，有文獻(xiàn)提及國外某大學(xué)也在進(jìn)行用于成像聲納的48X48元壓電薄膜水聽器陣列研究。對于水底地形地貌勘測和聲成像等用途的高頻聲納而言，需要構(gòu)成多陣元的兩維接收基陣，以提高分辨能力、抑制混響。目前，國內(nèi)一般采用大量的壓電陶瓷片組裝形成接收陣，工藝較復(fù)雜。用壓電陶瓷作為接收陣的敏感元件意味著需要幾千片壓電陶瓷組成接收陣，離散部件很多，工藝復(fù)雜，成品率低，制造成本高，且各陣元相幅一致性難以保證。至本發(fā)明研究開展前，國內(nèi)壓電薄膜水聽器陣僅限于中低頻段，陣列數(shù)目也僅有數(shù)個?，F(xiàn)有高頻接收陣技術(shù)存在下列缺陷:(I)水中高頻聲波波長短，較小的安裝誤差會引入很大的陣元信號相位響應(yīng)誤差，工作上限頻率受限。(2)傳統(tǒng)的敏感器件排成大基數(shù)陣元，陣元相幅一致性難以保證，應(yīng)用中相控波束芳辦抑制受限。(3)常規(guī)的高頻密排水聽器陣布置安裝，信號輸出損耗大，弱信號檢測受限。(4)常規(guī)的大基數(shù)水聽器陣列裝配工藝復(fù)雜、工作量大、易出差錯，不利于量產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，在有限的布陣區(qū)域內(nèi)精確定位布置大基數(shù)高頻水聽器陣元，且須高效耦合陣元感知的電荷、拾取接收高頻微弱水聲信號，為此設(shè)計(jì)了一種高頻密排壓電薄膜水聽器基陣，該設(shè)計(jì)可以簡化接收陣結(jié)構(gòu)，降低工藝復(fù)雜度，提高可靠性和成品率，具體技術(shù)方案如下:一種高頻密排壓電薄膜水聽器基陣，包括水密法蘭盤、多層PCB電路板、PVDF壓電薄膜、黃銅背襯板、軟木橡皮、共地引出電極、水密灌封殼、水密圈、前置放大電路和輸出電連接器插座，其特征在于=PVDF壓電薄膜、剛性背襯和PCB板為集成設(shè)計(jì)，以PVDF壓電薄膜代替壓電陶瓷作為陣元水聽器的敏感材料，壓電膜上表面為全貫通電極，由共地引出電極引入PCB電路板，壓電膜下面的黃銅背襯板構(gòu)成水聽器陣列和陣元邊框作為水聽器增敏件，背襯顆粒間用軟木橡皮為陣元間去耦，背襯板下面多層PCB電路板為整個高頻水聽器陣元布置定位和引出信號，PCB電路板背面為前置放大電路和輸出電連接器插座，多層PCB電路板裝在水密法蘭盤上，外殼整體灌注聚氨脂水密透聲層，并通過“ O ”型水密圈與其它外殼組成水密電子艙，通過鎖緊環(huán)旋緊。進(jìn)一步來說，高頻壓電薄膜水聽器基陣陣元按半波長布陣，工作頻率在100kHz，陣元間距為7.5mm,陣元最大有效面積為7mmX7mm。按500um厚PVDF壓電薄膜電容為18pF/cm2計(jì)算，高頻壓電薄膜水聽器基陣陣元的電容量小于9pF，不能采用串用壓電器件(提高輸出阻抗)的方法來增加靈敏度。在PVDF壓電薄膜后采用剛性背襯營造了一個截止邊界，理論上能提升一倍聲壓，等于提高其接收靈敏度6dB，能解決高頻壓電薄膜水聽器基陣偏低的困惑。本發(fā)明所述7.5mm陣元間距的高頻密排水聽器陣列若進(jìn)一步減小陣元間距，勢必大幅度降低水聽器電聲性能，還直接導(dǎo)致制作工藝難度成倍增加，以致不可能實(shí)現(xiàn)。調(diào)和的方法是基陣犧牲大角度掃描范圍，控制基陣柵瓣出現(xiàn)角度、壓制柵瓣，保持7.5_陣元間距的基陣工作頻率達(dá)200kHz。為了制備如上所述的高頻密排壓電薄膜水聽器基陣，采取了以下技術(shù)方案:一種高頻密排壓電薄膜水聽器基陣的制備方法，包括以下步驟:步驟一:首先按設(shè)計(jì)的高頻水聽器布陣方案布置前表面水聽器導(dǎo)通面和陣元定位基孔，按設(shè)計(jì)的多層板前置放大器模塊布線制版，制做PCB基板；步驟二:按高頻壓電薄膜水聽器陣布陣設(shè)計(jì)間距和陣元設(shè)計(jì)尺度進(jìn)行陣元水聽器背襯預(yù)成型精加工，在整張的銅背襯上開槽、制成相連的小顆粒襯板，開槽加工面做噴沙處理；步驟三:按常規(guī)PVDF壓電薄膜水聽器裝配工藝，經(jīng)三個以上定位銷精確定位，在PCB基板上貼裝預(yù)成型背襯銅板；步驟四:加工去除小顆粒背襯板的相連結(jié)構(gòu)，精磨背襯銅板致設(shè)計(jì)厚度，對加工表面做噴沙處理；步驟五:按常規(guī)PVDF壓電薄膜水聽器裝配工藝，在高頻壓電薄膜水聽器陣元表面貼裝整張PVDF壓電薄膜； 步驟六:在完成貼裝壓電薄膜后，壓電薄膜表面外粘貼共地電極，并焊線引入PCB板共地端；步驟七:檢測各陣元物理性能，確認(rèn)無誤，加裝前置放大電路陣列模塊；步驟八:將裝有高頻壓電薄膜水聽器陣列和前置放大模塊的PCB基板裝入水密法蘭盤，由法蘭盤定位，在其外圍加裝灌封模具，整體灌注聚氨脂水密透聲層。步驟九:待聚氨脂硬化后，脫模、裝上水密“ O ”型圈，完成密排高頻壓電薄膜水聽器基陣制作。本發(fā)明能帶來以下有益效果:高頻壓電薄膜水聽器基陣應(yīng)用于水下聲檢測，可以獲取256路陣列聲信息拾取，檢測分辨提高，應(yīng)用范圍得到了拓寬；
利用多層PCB板為基板安裝陣元水聽器，去除陣元至前置放大電路的多余引線，增強(qiáng)了電磁兼容性和可靠性，提高了適用性；使用整張壓電薄膜大基數(shù)陣元集成成陣方法，無附加結(jié)構(gòu)，因而體積小、重量輕，容易滿足小尺寸安裝環(huán)境的要求；有效采用數(shù)控設(shè)備加工、精確定位背襯銅板，克服陣元位置誤差，提高靈敏度近6dB，可顯著提高測量精度；以多層PCB板為基板，采用大面積銅板分刻形成大基數(shù)陣元背襯及整膜貼裝技術(shù)，突破了高頻陣陣元數(shù)限止，使高像素成像聲納制造成為可能；采用一體化成型技術(shù)，縮短高頻陣總成時間和合格率，大度提高工效。


圖1外形及結(jié)構(gòu)示意圖；圖2剖面圖；圖3分層示意圖；圖4部件構(gòu)成圖；圖5相控波束指向性實(shí)測數(shù)據(jù)圖 圖6另一種相控波束指向性實(shí)測數(shù)據(jù)圖 圖7再一種相控波束指向性實(shí)測數(shù)據(jù)圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明做進(jìn)一步的描述:參見圖1 圖3，本實(shí)施例為采用本發(fā)明的技術(shù)方案制備的一種高頻密排壓電膜水聽器基陣，采用耐海水聚氨脂作為透聲密封外套I，整張PVDF壓電薄膜3作為256個陣元水聽器的敏感材料，PVDF壓電薄膜3上表面為全貫通電極，由共地電極2引入PCB電路板7，壓電薄膜3下面為黃銅背襯板5構(gòu)成16X 16元水聽器陣列和陣元邊框作為水聽器增敏件，背襯顆粒間用軟木橡皮4為陣元間去耦，背襯板下面多層PCB電路板7為整個高頻水聽器陣元布置定位和引出信號，PCB電路板7背面為前置放大電路12和輸出電連接器插座
13。最終多層PCB電路板7裝在水密法蘭盤8上，外殼I整體灌注聚氨脂水密透聲層，并通過“O”型水密圈與其它外殼11組成水密電子艙，通過鎖緊環(huán)旋緊。參見圖4，本發(fā)明實(shí)施主要過程，首先在PCB電路板7和黃銅背襯板5上打定位銷孔，對黃銅背襯板5預(yù)加工，精確開槽定位各陣元水聽器尺寸和布置位置，通過定位銷定位將預(yù)加工的黃銅背襯板5貼裝在PCB電路板7上，二次加工削磨黃銅背襯板5致各顆粒背襯分離，粘貼PVDF壓電薄膜3和共地電極2后，引地線至PCB電路板7，最后外殼I以聚氨脂材料作為水密透聲層整體灌封。本實(shí)施例中采用0.5mm厚PVDF壓電薄膜，陣元水聽器背襯采用3mm厚黃銅顆粒板。圖5-圖7為該實(shí)施例實(shí)測的單列和單行陣元水聽器的CW脈沖信號響應(yīng)圖和相控接收指向性圖，分別為聲波從-26度、I度和31度角入射的陣列信號及所形成的波束。從圖中可以看出這種高頻密排壓電薄膜水聽器基陣可以在±40度范圍良好形成相控掃描波束。以上對本發(fā)明的描述不具有限制性，如果本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員受其啟示，在不脫離本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)的情況，作出本發(fā)明的其它結(jié)構(gòu)變形和實(shí)施方式，均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種高頻密排壓電薄膜水聽器基陣，包括水密法蘭盤、多層PCB電路板、PVDF壓電薄膜、黃銅背襯板、軟木橡皮、共地引出電極、水密灌封殼、水密圈、前置放大電路和輸出電連接器插座，其特征在于=PVDF壓電薄膜、剛性背襯和PCB板為集成設(shè)計(jì)，以PVDF壓電薄膜代替壓電陶瓷作為陣元水聽器的敏感材料，壓電膜上表面為全貫通電極，由共地引出電極引入PCB電路板，壓電膜下面的黃銅背襯板構(gòu)成水聽器陣列和陣元邊框作為水聽器增敏件，背襯顆粒間用軟木橡皮為陣元間去耦，背襯板下面多層PCB電路板為整個高頻水聽器陣元布置定位和引出信號，PCB電路板背面為前置放大電路和輸出電連接器插座，多層PCB電路板裝在水密法蘭盤上，外殼整體灌注聚氨脂水密透聲層，并通過“ O ”型水密圈與其它外殼組成水密電子艙，通過鎖緊環(huán)旋緊。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高頻密排壓電薄膜水聽器基陣，其特征在于:基陣陣元按半波長布陣，工作頻率在100kHz，陣元間距為7.5mm,陣元最大有效面積為7mmX7mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種高頻密排壓電薄膜水聽器基陣，其特征在于:PVDF壓電薄膜厚度為0.5mm,黃銅背襯板厚度為3mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高頻密排壓電薄膜水聽器基陣的制備方法，其特征在于:包括以下步驟: 步驟一:首先按設(shè)計(jì)的高頻水聽器布陣方案布置前表面水聽器導(dǎo)通面和陣元定位基孔，按設(shè)計(jì)的多層板前置放大器模塊布線制版，制做PCB基板； 步驟二:按高頻壓電薄膜水聽器陣布陣設(shè)計(jì)間距和陣元設(shè)計(jì)尺度進(jìn)行陣元水聽器背襯預(yù)成型精加工，在整張的銅背襯上開槽、制成相連的小顆粒襯板，開槽加工面做噴沙處理； 步驟三:按常規(guī)PVDF壓電薄膜水聽器裝配工藝，經(jīng)三個以上定位銷精確定位，在PCB基板上貼裝預(yù)成型背襯銅板； 步驟四:加工去除小顆粒背襯板的相連結(jié)構(gòu)，精磨背襯銅板致設(shè)計(jì)厚度，對加工表面做噴沙處理； 步驟五:按常規(guī)PVDF壓電薄膜水聽器裝配工藝，在高頻壓電薄膜水聽器陣元表面貼裝整張PVDF壓電薄膜； 步驟六:在完成貼裝壓電薄膜后，壓電薄膜表面外粘貼共地電極，并焊線引入PCB板共地端； 步驟七:檢測各陣元物理性能，確認(rèn)無誤，加裝前置放大電路陣列模塊； 步驟八:將裝有高頻壓電薄膜水聽器陣列和前置放大模塊的PCB基板裝入水密法蘭盤，由法蘭盤定位，在其外圍加裝灌封模具，整體灌注聚氨脂水密透聲層； 步驟九:待聚氨脂硬化后，脫模、裝上水密“ O ”型圈，完成密排高頻壓電薄膜水聽器基陣制作。
全文摘要
本發(fā)明涉及水聲換能器技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于水下相控陣攝像聲納的高頻水聽器基陣及其制備方法。本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，在有限的布陣區(qū)域內(nèi)精確定位布置大基數(shù)目高頻水聽器陣元，且需高效耦合陣元感知的電荷、拾取接收高頻微弱水聲信號。本發(fā)明運(yùn)用壓電器件PVDF膜、剛性背襯和PCB板聯(lián)合設(shè)計(jì)，利用黃銅作高頻PVDF水聽器背襯增敏、多層PCB板為基板，大數(shù)目陣元背襯整體預(yù)加工，陣元背襯集群定位、裝配至PCB基板，二次加工將背襯單元分離，分離單元間加裝去耦條，粘壓電膜成陣，最后水密灌封，實(shí)現(xiàn)高頻壓電薄膜水聽器基陣成型。本發(fā)明可用于成像聲納、多波束聲納和側(cè)掃聲納等高頻聲納接收陣列。
文檔編號G01H3/00GK103175601SQ20121056294
公開日2013年6月26日 申請日期2012年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月21日
發(fā)明者鄭震宇, 許欣然, 白琳瑯 申請人:中國船舶重工集團(tuán)公司第七一五研究所