[发明专利]一种高频密排压电薄膜水听器基阵及其制备方法

说明书

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48×48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： 

（1）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，应用中相控波束旁瓣抑制受限。 

（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7mm×7mm。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7.5mm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；