专利名称：一种高频密排压电薄膜水听器基阵及其制备方法
技术领域：
本发明涉及水声换能器技术领域，具体涉及一种适用于水下相控阵摄像声纳的高频水听器基阵及其制备方法。
背景技术：
高分子压电薄膜典型代表为PVDF (聚偏氟乙烯)压电薄膜。同压电陶瓷相比，压电薄膜具有柔软、耐抗冲击性能好、声阻抗与水接近等优点，因此:在微型高频声传感器、血压血流传感器、拖曳线列阵水听器等方面都有广泛应用。上个世纪70年代末国际上就开始了 PVDF水听器技术的研究。研究方向主要集中于:(1)医用超声传感器；(2)具备良好抗高波数能力的大面积PVDF水听器，典型应用例子是法国TMS2253舷侧阵声纳水听器模块和适用于拖曳线列阵的圆管水听器，主要是利用PVDF的高电压压电系数特性，提高水听器的灵敏度及抗加速度响应能力；(3)高频接收水听器，典型例子为探针型PVDF水听器。近年来，国外进一步利用PVDF压电薄膜研制高频接收阵，有文献提及国外某大学也在进行用于成像声纳的48X48元压电薄膜水听器阵列研究。对于水底地形地貌勘测和声成像等用途的高频声纳而言，需要构成多阵元的两维接收基阵，以提高分辨能力、抑制混响。目前，国内一般采用大量的压电陶瓷片组装形成接收阵，工艺较复杂。用压电陶瓷作为接收阵的敏感元件意味着需要几千片压电陶瓷组成接收阵，离散部件很多，工艺复杂，成品率低，制造成本高，且各阵元相幅一致性难以保证。至本发明研究开展前，国内压电薄膜水听器阵仅限于中低频段，阵列数目也仅有数个。现有高频接收阵技术存在下列缺陷:(I)水中高频声波波长短，较小的安装误差会引入很大的阵元信号相位响应误差，工作上限频率受限。(2)传统的敏感器件排成大基数阵元，阵元相幅一致性难以保证，应用中相控波束芳辦抑制受限。(3)常规的高频密排水听器阵布置安装，信号输出损耗大，弱信号检测受限。(4)常规的大基数水听器阵列装配工艺复杂、工作量大、易出差错，不利于量产。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是，在有限的布阵区域内精确定位布置大基数高频水听器阵元，且须高效耦合阵元感知的电荷、拾取接收高频微弱水声信号，为此设计了一种高频密排压电薄膜水听器基阵，该设计可以简化接收阵结构，降低工艺复杂度，提高可靠性和成品率，具体技术方案如下:一种高频密排压电薄膜水听器基阵，包括水密法兰盘、多层PCB电路板、PVDF压电薄膜、黄铜背衬板、软木橡皮、共地引出电极、水密灌封壳、水密圈、前置放大电路和输出电连接器插座，其特征在于=PVDF压电薄膜、刚性背衬和PCB板为集成设计，以PVDF压电薄膜代替压电陶瓷作为阵元水听器的敏感材料，压电膜上表面为全贯通电极，由共地引出电极引入PCB电路板，压电膜下面的黄铜背衬板构成水听器阵列和阵元边框作为水听器增敏件，背衬颗粒间用软木橡皮为阵元间去耦，背衬板下面多层PCB电路板为整个高频水听器阵元布置定位和引出信号，PCB电路板背面为前置放大电路和输出电连接器插座，多层PCB电路板装在水密法兰盘上，外壳整体灌注聚氨脂水密透声层，并通过“ O ”型水密圈与其它外壳组成水密电子舱，通过锁紧环旋紧。进一步来说，高频压电薄膜水听器基阵阵元按半波长布阵，工作频率在100kHz，阵元间距为7.5mm,阵元最大有效面积为7mmX7mm。按500um厚PVDF压电薄膜电容为18pF/cm2计算，高频压电薄膜水听器基阵阵元的电容量小于9pF，不能采用串用压电器件(提高输出阻抗)的方法来增加灵敏度。在PVDF压电薄膜后采用刚性背衬营造了一个截止边界，理论上能提升一倍声压，等于提高其接收灵敏度6dB，能解决高频压电薄膜水听器基阵偏低的困惑。本发明所述7.5mm阵元间距的高频密排水听器阵列若进一步减小阵元间距，势必大幅度降低水听器电声性能，还直接导致制作工艺难度成倍增加，以致不可能实现。调和的方法是基阵牺牲大角度扫描范围，控制基阵栅瓣出现角度、压制栅瓣，保持7.5_阵元间距的基阵工作频率达200kHz。为了制备如上所述的高频密排压电薄膜水听器基阵，采取了以下技术方案:一种高频密排压电薄膜水听器基阵的制备方法，包括以下步骤:步骤一:首先按设计的高频水听器布阵方案布置前表面水听器导通面和阵元定位基孔，按设计的多层板前置放大器模块布线制版，制做PCB基板；步骤二:按高频压电薄膜水听器阵布阵设计间距和阵元设计尺度进行阵元水听器背衬预成型精加工，在整张的铜背衬上开槽、制成相连的小颗粒衬板，开槽加工面做喷沙处理；步骤三:按常规PVDF压电薄膜水听器装配工艺，经三个以上定位销精确定位，在PCB基板上贴装预成型背衬铜板；步骤四:加工去除小颗粒背衬板的相连结构，精磨背衬铜板致设计厚度，对加工表面做喷沙处理；步骤五:按常规PVDF压电薄膜水听器装配工艺，在高频压电薄膜水听器阵元表面贴装整张PVDF压电薄膜； 步骤六:在完成贴装压电薄膜后，压电薄膜表面外粘贴共地电极，并焊线引入PCB板共地端；步骤七:检测各阵元物理性能，确认无误，加装前置放大电路阵列模块；步骤八:将装有高频压电薄膜水听器阵列和前置放大模块的PCB基板装入水密法兰盘，由法兰盘定位，在其外围加装灌封模具，整体灌注聚氨脂水密透声层。步骤九:待聚氨脂硬化后，脱模、装上水密“ O ”型圈，完成密排高频压电薄膜水听器基阵制作。本发明能带来以下有益效果:高频压电薄膜水听器基阵应用于水下声检测，可以获取256路阵列声信息拾取，检测分辨提高，应用范围得到了拓宽；
利用多层PCB板为基板安装阵元水听器，去除阵元至前置放大电路的多余引线，增强了电磁兼容性和可靠性，提高了适用性；使用整张压电薄膜大基数阵元集成成阵方法，无附加结构，因而体积小、重量轻，容易满足小尺寸安装环境的要求；有效采用数控设备加工、精确定位背衬铜板，克服阵元位置误差，提高灵敏度近6dB，可显著提高测量精度；以多层PCB板为基板，采用大面积铜板分刻形成大基数阵元背衬及整膜贴装技术，突破了高频阵阵元数限止，使高像素成像声纳制造成为可能；采用一体化成型技术，缩短高频阵总成时间和合格率，大度提高工效。


图1外形及结构示意图；图2剖面图；图3分层示意图；图4部件构成图；图5相控波束指向性实测数据图 图6另一种相控波束指向性实测数据图 图7再一种相控波束指向性实测数据图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的描述:参见图1 图3，本实施例为采用本发明的技术方案制备的一种高频密排压电膜水听器基阵，采用耐海水聚氨脂作为透声密封外套I，整张PVDF压电薄膜3作为256个阵元水听器的敏感材料，PVDF压电薄膜3上表面为全贯通电极，由共地电极2引入PCB电路板7，压电薄膜3下面为黄铜背衬板5构成16X 16元水听器阵列和阵元边框作为水听器增敏件，背衬颗粒间用软木橡皮4为阵元间去耦，背衬板下面多层PCB电路板7为整个高频水听器阵元布置定位和引出信号，PCB电路板7背面为前置放大电路12和输出电连接器插座
13。最终多层PCB电路板7装在水密法兰盘8上，外壳I整体灌注聚氨脂水密透声层，并通过“O”型水密圈与其它外壳11组成水密电子舱，通过锁紧环旋紧。参见图4，本发明实施主要过程，首先在PCB电路板7和黄铜背衬板5上打定位销孔，对黄铜背衬板5预加工，精确开槽定位各阵元水听器尺寸和布置位置，通过定位销定位将预加工的黄铜背衬板5贴装在PCB电路板7上，二次加工削磨黄铜背衬板5致各颗粒背衬分离，粘贴PVDF压电薄膜3和共地电极2后，引地线至PCB电路板7，最后外壳I以聚氨脂材料作为水密透声层整体灌封。本实施例中采用0.5mm厚PVDF压电薄膜，阵元水听器背衬采用3mm厚黄铜颗粒板。图5-图7为该实施例实测的单列和单行阵元水听器的CW脉冲信号响应图和相控接收指向性图，分别为声波从-26度、I度和31度角入射的阵列信号及所形成的波束。从图中可以看出这种高频密排压电薄膜水听器基阵可以在±40度范围良好形成相控扫描波束。以上对本发明的描述不具有限制性，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明权利要求的保护的情况，作出本发明的其它结构变形和实施方式，均属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种高频密排压电薄膜水听器基阵，包括水密法兰盘、多层PCB电路板、PVDF压电薄膜、黄铜背衬板、软木橡皮、共地引出电极、水密灌封壳、水密圈、前置放大电路和输出电连接器插座，其特征在于=PVDF压电薄膜、刚性背衬和PCB板为集成设计，以PVDF压电薄膜代替压电陶瓷作为阵元水听器的敏感材料，压电膜上表面为全贯通电极，由共地引出电极引入PCB电路板，压电膜下面的黄铜背衬板构成水听器阵列和阵元边框作为水听器增敏件，背衬颗粒间用软木橡皮为阵元间去耦，背衬板下面多层PCB电路板为整个高频水听器阵元布置定位和引出信号，PCB电路板背面为前置放大电路和输出电连接器插座，多层PCB电路板装在水密法兰盘上，外壳整体灌注聚氨脂水密透声层，并通过“ O ”型水密圈与其它外壳组成水密电子舱，通过锁紧环旋紧。
2.根据权利要求1所述的一种高频密排压电薄膜水听器基阵，其特征在于:基阵阵元按半波长布阵，工作频率在100kHz，阵元间距为7.5mm,阵元最大有效面积为7mmX7mm。
3.根据权利要求1或2所述的一种高频密排压电薄膜水听器基阵，其特征在于:PVDF压电薄膜厚度为0.5mm,黄铜背衬板厚度为3mm。
4.根据权利要求1所述的一种高频密排压电薄膜水听器基阵的制备方法，其特征在于:包括以下步骤: 步骤一:首先按设计的高频水听器布阵方案布置前表面水听器导通面和阵元定位基孔，按设计的多层板前置放大器模块布线制版，制做PCB基板； 步骤二:按高频压电薄膜水听器阵布阵设计间距和阵元设计尺度进行阵元水听器背衬预成型精加工，在整张的铜背衬上开槽、制成相连的小颗粒衬板，开槽加工面做喷沙处理； 步骤三:按常规PVDF压电薄膜水听器装配工艺，经三个以上定位销精确定位，在PCB基板上贴装预成型背衬铜板； 步骤四:加工去除小颗粒背衬板的相连结构，精磨背衬铜板致设计厚度，对加工表面做喷沙处理； 步骤五:按常规PVDF压电薄膜水听器装配工艺，在高频压电薄膜水听器阵元表面贴装整张PVDF压电薄膜； 步骤六:在完成贴装压电薄膜后，压电薄膜表面外粘贴共地电极，并焊线引入PCB板共地端； 步骤七:检测各阵元物理性能，确认无误，加装前置放大电路阵列模块； 步骤八:将装有高频压电薄膜水听器阵列和前置放大模块的PCB基板装入水密法兰盘，由法兰盘定位，在其外围加装灌封模具，整体灌注聚氨脂水密透声层； 步骤九:待聚氨脂硬化后，脱模、装上水密“ O ”型圈，完成密排高频压电薄膜水听器基阵制作。
全文摘要
本发明涉及水声换能器技术领域，具体涉及一种适用于水下相控阵摄像声纳的高频水听器基阵及其制备方法。本发明所要解决的技术问题是，在有限的布阵区域内精确定位布置大基数目高频水听器阵元，且需高效耦合阵元感知的电荷、拾取接收高频微弱水声信号。本发明运用压电器件PVDF膜、刚性背衬和PCB板联合设计，利用黄铜作高频PVDF水听器背衬增敏、多层PCB板为基板，大数目阵元背衬整体预加工，阵元背衬集群定位、装配至PCB基板，二次加工将背衬单元分离，分离单元间加装去耦条，粘压电膜成阵，最后水密灌封，实现高频压电薄膜水听器基阵成型。本发明可用于成像声纳、多波束声纳和侧扫声纳等高频声纳接收阵列。
文档编号G01H3/00GK103175601SQ20121056294
公开日2013年6月26日 申请日期2012年12月21日 优先权日2012年12月21日
发明者郑震宇, 许欣然, 白琳琅 申请人:中国船舶重工集团公司第七一五研究所