[发明专利]多频二维相控阵列换能器

说明书

本发明揭示改进型二维平面阵列换能器及波束形成器设备及方法。在一个实施例中，二维平面阵列换能器能够在两个轴上且在两个或两个以上远远分开的声频下从单一平坦平面阵列换能器同时或连续形成多个声束。所述换能器平面阵列由在不同频率下操作的两个或两个以上电学上且声学上独立的二维平面换能器阵列结构组成，所述结构在物理上集成到单一多频配置上。在示范性实施例中，第二较高频率换能器阵列位于较低频率平面阵列换能器的孔口区域内。本发明还揭示了使用上述二维平面阵列换能器及波束形成器的方法。

优先权

本申请案主张对2011年10月26日申请的标题相同的第13/282,257号的共同拥有且共同待决的美国专利申请案的优先权，其主张2010年11月1日申请的标题相同的第61/456,086号美国临时专利申请案的优先权，所述申请案的全部内容以引用的方式并入本文中。

版权

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技术领域

本发明一般涉及平面阵列声纳换能器，且在一个示范性方面中涉及用于产生声音多普勒流速剖面的多频平面阵列声纳换能器。

背景技术

声纳换能器当前用于测量二维或三维速度及/或距离的不同类型的声学反向散射系统。在揭示声学平面阵列换能器的第5,808,967号美国专利中揭示一种此类声纳换能器，所述声学平面阵列换能器沿着单一二维(“2D”)相控阵列换能器的两个轴在单一的或相对较窄的频率范围下形成多个波束。图1说明此一声学阵列换能器1))。通过将波束形成器连接到换能器的一侧上的第一组电极形成一对波束110且通过将第二波束形成器连接到换能器的另一侧上的第二组电极而形成另一对波束120。换能器的每一侧上的电极为紧密间隔的且在一个方向上越过换能器的整个尺寸延伸的平行薄铜线。换能器的一侧上的电极在与换能器的另一侧上的电极正交的方向上延伸。

为了同时地且单独地在发射及接收通道两者上形成每一对波束，使用两个个别的且独立的发射波束形成器130及两个个别的且独立的接收波束形成器140。还使用发射/接收开关(未图示)来将一个发射波束形成器及一个接收波束形成器连接到换能器的一侧上的电触点。通过第二发射/接收开关而将第二个独立的发射及接收波束形成器对连接到换能器的第二侧上的触点。使用两个发射及接收波束形成器以同时在每一X及Y轴上产生两对或两对以上的独立波束。一对从侧面倾斜且与换能器的一侧上的电极正交且另一对从侧面倾斜且与换能器的另一侧上的电极正交。虽然这些波束处于固定位置中，但波束形成器既同步又独立的事实允许可能同时且独立地相对于另一组波束操纵一组波束。此外，如果将换能器电极个别地带到波束形成器内，那么每一波束形成器可沿着两个正交的X及Y轴中的每一个潜在地产生一组完全独立的任意同步波束。

在每一轴中的波束组不同步或是独立形成的地方还使用替代的2D平面阵列换能器。虽然这些类别的2D平面阵列声纳一般仅需要单一波束形成器用于发射及/或接收进而导致明显较少的波束形成器复杂性，但这些类型的替代2D平面阵列换能器具有缺点，例如具有数目较少的同步形成的波束以及多个2D波束的不完全独立。此外，这些2D平面阵列换能器及波束形成器可产生声束的频率范围受换能器阵列自身的带宽可实现的带宽的限制。此约为标称操作频率的百分之五十(50％)或0.5倍。因此，换能器受限于约标称操作频率的百分之二十五(25％)以上或百分之二十五(25％)以下。