一种水声高频相控阵的制备方法技术

本发明专利技术属于水声换能器领域，是一种水声高频相控阵的制备方法，其有源部分采用压电复合材料，在元件的缝隙中灌注聚合物，固化后对表面进行研磨，通过磁控溅射或者蒸镀的方式对表面进行电极处理，并对上下银层分别水平和垂直切割，粘接水平和垂直的印制板，利用印制板引出相控接线。本发明专利技术的优点为：制作工艺简单，相控接线方便，该换能器可应用于水下探测、声学海流测试及海上工程实施等。

A Fabrication Method of Underwater Acoustic High Frequency Phased Array

【技术实现步骤摘要】
一种水声高频相控阵的制备方法
本专利技术涉及水声换能器领域，主要是一种水声高频相控阵的制备方法。
技术介绍
水声高频相控阵主要应用于声学多普勒计程仪，多普勒计程仪是船舶和水下航行器导航的重要设备，属于自主导航系统，独立工作，不需要外界辅助设备，可测量二维或三维对地、对水航速，提供海流信息，弥补GPS等导航设备的不足之处，特别是对鱼雷、AUV/UUV等水下航行器的导航，在目前水下导航系统中必不可少。多普勒计程仪分为常规活塞阵多普勒计程仪和相控阵多普勒计程仪。常规活塞阵是由四个活塞型圆片换能器组成的斜正交结构的换能器阵(简称常规阵)。相控阵是由近千个小换能器组成的平面阵，在相同工作频率和波束宽度的条件下，相控阵与常规阵相比不仅具有体积小、重量轻适装性好的特点，而且具有测速精度与声速无关的特点，因而相控阵声学多普勒计程仪不需要对海水声速的高精度测量，其速度测量精度只与设备本身的处理精度、加工精度有关。相控阵是收发合一的换能器阵，包括压电陶瓷元件1和去耦材料2，它有8路换能器，目前，相控的接线方式主要为：一个辐射面为公共负极，另一个辐射面水平和垂直方向各引出4路线，水平和垂直方向每间隔4行或4列进行并联，水平和垂直方向的引线在辐射面表面相互交错。相控工作时，对H1、H2、H3、H4以及V1、V2、V3、V4分别施加++--或者+-+-的相位(图1)，从而形成4个波束。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种水声高频相控阵的制备方法。本专利技术的目的是通过如下技术方案来完成的。一种水声高频相控阵的制备方法，相控阵换能器的有源部分采用压电复合材料，在压电陶瓷元件的缝隙中灌注聚合物，固化后对表面进行研磨，通过磁控溅射或者蒸镀的方式对表面进行电极处理形成上银层和下银层，对上银层水平切割形成上辐射面，在上辐射面粘接水平方向的柔性印制板A；对下银层垂直切割形成下辐射面，在下辐射面粘接垂直方向的柔性印制板B，通过柔性印制板A和柔性印制板B的引出相控接线进行相控；相控工作时，下辐射面的引线，X1，X2作为地线，X3，X4施加正相位；上辐射面的引线，Y3，Y4作为地线，Y1，Y2施加正相位。作为优选，所述的柔性印制板A的引出相控接线与上银层水平切割方向一致，柔性印制板B的引出相控接线与下银层水平切割方向一致。作为优选，对压电陶瓷元件进行切割，在阵元的缝隙中填充聚合物，在聚合物的灌注过程中，要首先对聚合物胶进行抽真空处理，同时，灌注时也需对其进行抽真空及加温处理，以保证每个阵元间均充满聚合物。本专利技术的有益效果为：制作工艺简单，相控接线方便，该换能器可应用于水下探测、声学海流测试及海上工程实施等。附图说明图1为相控阵常规接线示意图。图2为本专利技术的接线示意图。图3为本专利技术的相控波束理论计算值示意图。附图标记说明：压电陶瓷元件1、去耦材料2、聚合物3，柔性印制板A4，柔性印制板B5。具体实施方式下面将结合附图对本专利技术做详细的介绍：如图2所示，本专利技术公开了一种水声高频相控阵的制备方法，相控阵换能器的有源部分采用压电复合材料，在压电陶瓷元件1的缝隙中灌注聚合物3，固化后对表面进行研磨，通过磁控溅射或者蒸镀的方式对表面进行电极处理形成上银层和下银层，对上银层水平切割形成上辐射面，在上辐射面粘接水平方向的柔性印制板A4；对下银层垂直切割形成下辐射面，在下辐射面粘接垂直方向的柔性印制板B5，通过柔性印制板A4和柔性印制板B5的引出相控接线进行相控；所述的柔性印制板A的引出相控接线与上银层水平切割方向一致，柔性印制板B的引出相控接线与下银层水平切割方向一致。相控工作时，下辐射面的引线，X1，X2作为地线，X3，X4施加正相位；上辐射面的引线，Y3，Y4作为地线，Y1，Y2施加正相位(图2)，16元子阵最终的相位和幅度如表1和表2所示，相控结果如图3所示。表1为16元子阵的相位幅度施加方法1表2为16元子阵的相位幅度施加方法2具体的实施方式分为以下几个步骤：步骤1：阵元的设计针对不同的工作频率，优化阵元的尺寸，利用阵元的厚度振动，避免其强耦合振动区域，通过调整横向尺寸，控制阵元的谐振频率，因横向尺寸与纵向振动尺寸较为接近时，其耦合振动较强，不利于厚度方向的振动，因此横向尺寸尽量小于厚度方向，同时，根据不同的工作频率设计阵元之间的间距。步骤2：压电元件切割根据工作频率和阵元的设计，选择合适尺寸的压电陶瓷元件，考虑收发共用，可选择PZT4材料，然后对压电陶瓷元件进行水平和垂直方向的切割。步骤3：灌注聚合物元件切割后，在阵元的缝隙中填充聚合物，在聚合物的灌注过程中，要首先对聚合物胶进行抽真空处理，防止空气泡的藏匿，同时，灌注时也需对其进行抽真空及加温处理，以保证每个阵元间均充满聚合物，提高性能的一致性。步骤4：研磨及电极处理为了得到设计的工作频率，对灌注好的压电复合材料进行上表面和下表面的研磨，将其厚度尺寸磨至设计尺寸，然后对表面进行清洁处理，利用磁控溅射或蒸镀方式制作银层，从而获得压电复合材料的正极和负极。步骤5：电极切割根据阵元及间距的设计，对电极进行切割，上表面水平切割，下表面垂直切割。步骤6：粘接柔性印制板在压电复合材料的上表面粘接水平方向的柔性印制板，在下表面粘接垂直方向的柔性印制板，印制板的引线方向与电极的切割方向一致，为保证两者的吻合，可通过模具进行定位控制，最终上下表面共引出8路引线。步骤7：水密处理为满足相控阵在水中的使用以及性能测试，对其表面进行水密处理，在外侧灌注一层3mm厚度的水密材料，材料为聚氨酯。灌注后将换能器的8路导线通过带屏蔽的电缆引出，电缆与换能器金属后座之间通过水密电缆头连接。可以理解的是，对本领域技术人员来说，对本专利技术的技术方案及专利技术构思加以等同替换或改变都应属于本专利技术所附的权利要求的保护范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种水声高频相控阵的制备方法，其特征在于：相控阵换能器的有源部分采用压电复合材料，在压电陶瓷元件的缝隙中灌注聚合物，固化后对表面进行研磨，通过磁控溅射或者蒸镀的方式对表面进行电极处理形成上银层和下银层，对上银层水平切割形成上辐射面，在上辐射面粘接水平方向的柔性印制板A；对下银层垂直切割形成下辐射面，在下辐射面粘接垂直方向的柔性印制板B，通过柔性印制板A和柔性印制板B的引出相控接线进行相控；相控工作时，下辐射面的引线，X1，X2作为地线，X3，X4施加正相位；上辐射面的引线，Y3，Y4作为地线，Y1，Y2施加正相位。

【技术特征摘要】
1.一种水声高频相控阵的制备方法，其特征在于：相控阵换能器的有源部分采用压电复合材料，在压电陶瓷元件的缝隙中灌注聚合物，固化后对表面进行研磨，通过磁控溅射或者蒸镀的方式对表面进行电极处理形成上银层和下银层，对上银层水平切割形成上辐射面，在上辐射面粘接水平方向的柔性印制板A；对下银层垂直切割形成下辐射面，在下辐射面粘接垂直方向的柔性印制板B，通过柔性印制板A和柔性印制板B的引出相控接线进行相控；相控工作时，下辐射面的引线，X1，X2作为地线，X3，X4施加正相位；...

【专利技术属性】
技术研发人员：仲林建，黄东，董铭锋，钟琴琴，刘刚华，张凯，
申请(专利权)人：中国船舶重工集团公司第七一五研究所，
类型：发明
国别省市：浙江,33