子陣列換能器設(shè)備及方法
【專利說明】
[00011 優(yōu)先權(quán)
[0002] 本申請案主張共同擁有的在2014年8月15日申請的相同標(biāo)題的第14/460,853號美 國專利申請案的優(yōu)先權(quán)益，所述申請案主張2013年8月15日申請的相同標(biāo)題的第61/866， 453號美國臨時專利申請案的優(yōu)先權(quán)益，前述申請案中的每一者的全部內(nèi)容是以引用方式 并入本文。
[0003] 版權(quán)
[0004 ]本專利文件的揭示的部分包括受版權(quán)保護(hù)的材料。版權(quán)所有者不反對任何人復(fù)制 與專利和商標(biāo)局的專利文檔或記錄中顯示的一致的本專利文件或?qū)＠沂?，但是另外無論 如何保留所有的版權(quán)權(quán)利。
技術(shù)領(lǐng)域
[0005] 本發(fā)明涉及聲學(xué)且在某些示范性方面涉及應(yīng)用于水性信道流體流速度及信道排 放測量的聲換能器及聲學(xué)多普勒系統(tǒng)(例如，聲學(xué)多普勒流速剖面儀或ADCP)。
【背景技術(shù)】
[0006] 聲納換能器當(dāng)前用于測量二維或三維的速度及/或距離的不同類型的聲反向散射 系統(tǒng)。余(Yu)等人在1998年9月15日發(fā)布且標(biāo)題是"二維陣列換能器及波束形成器(Two-dimensional array transducer and beamformer)"的第5,808,967號美國專利（下文稱為 "'967號專利"）中揭示了一種這樣的聲納換能器，所述專利的全部內(nèi)容是以引用方式并入 本文中，所述專利揭示了聲平面陣列換能器，其沿單個二維（"2D"）相控陣列換能器的兩個 軸以單個或相對狹窄的頻率范圍形成多個波束。'967號專利揭示了一種聲陣列換能器，由 此一對波束是通過將波束形成器連接到換能器的一側(cè)上的第一組電極而形成，且另一對是 通過將第二波束形成器連接到換能器的另一側(cè)上的第二組電極而形成。換能器的一側(cè)上的 電極沿相對于換能器的另一側(cè)上的電極成正交方向延展。
[0007] 為了在發(fā)射及接收信道兩者上同時并獨(dú)立地形成每一對波束，使用兩個分離且獨(dú) 立的發(fā)射波束形成器及兩個分離且獨(dú)立的接收波束形成器。發(fā)射/接收開關(guān)還用于將一個 發(fā)射波束形成器及一個接收波束形成器連接到換能器的一側(cè)上的電接觸件。然而，此途徑 固有地必需雙側(cè)電極互連來用于聲學(xué)多普勒流速剖面（"ADCP"）或其它2D陣列聲納應(yīng)用，從 制造、成本及操作/應(yīng)用前景來看，這可能是成問題的。具體來說，此類2側(cè)裝置的制造可過 度復(fù)雜且昂貴。此外，驅(qū)動此類裝置需要的操作電壓可能相當(dāng)高，因此不利地影響功耗及人 身安全兩者。
[0008] 因此，明顯需要可提供至少相當(dāng)于現(xiàn)有技術(shù)(例如在'967號專利中）的波束形成性 能但是例如提供更簡單或更應(yīng)用友好的技術(shù)途徑的換能器陣列。理論上，此途徑將提供顯 著降低的驅(qū)動電壓(及因此功耗）以及提供增強(qiáng)的人身安全及關(guān)于處置較低施加電壓的降 低設(shè)計/構(gòu)造要求，借此給此改善的換能器陣列系統(tǒng)的組件提供例如增強(qiáng)的持久性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明滿足前述要求且具體來說在本文中描述的一個示范性方面中涉及一種單 側(cè)電極技術(shù)，其可尤其用作對用于二維（2D)陣列的現(xiàn)有技術(shù)的雙側(cè)行/列電極互連的替代 或取代，比如(例如）用于產(chǎn)生多個(例如，四（4)個或更多個波束）以供例如聲學(xué)多普勒流速 剖面聲納(ADCP)的應(yīng)用或使用具有多個N x X Ny子陣列的單個2D相控陣列換能器的其它2D 陣列應(yīng)用的目的。
[0010]在本發(fā)明的另一方面，揭示了一種能夠形成多個發(fā)射及/或接收波束的聲系統(tǒng)。在 一個實施例中，所述系統(tǒng)包括具有多個實質(zhì)上類似子陣列的平面換能器陣列，每一子陣列 具有多個(例如四乘以四（4χ 4))聲元件。
[0011] 另一方面，揭示了 一種構(gòu)造與子陣列元件電介接的單側(cè)方法的方法，其中子陣列 元件的一側(cè)獨(dú)立地電互連，且第二(第2)側(cè)上的電極全部與共同電平面并聯(lián)連接，因此需要 16個(加上共同）電互連來用于四乘以四（4χ 4)子陣列。
[0012] 另一方面，揭示了一種波束形成器配置。
[0013] 另一方面，揭示了一種與在兩側(cè)上獨(dú)立地電連接的子陣列元件電介接的雙側(cè)方 法。在一個變體中，換能器子陣列元件互連在平面陣列的兩側(cè)上（例如，使用相同互連圖 案）。兩側(cè)上的施加及/或接收信號可為一百八十度（180°)異相，允許進(jìn)行差分電接合。此途 徑在示范性配置中需要2Ν Χ X 2Ny個電互連，但是與單側(cè)發(fā)射驅(qū)動相比有利地將每一側(cè)上施 加發(fā)射(驅(qū)動）電壓需求降低了兩倍以實現(xiàn)相同的換能器陣列輸出功率。
[0014] 在2側(cè)途徑的另一方面中，可施加許多不同的施加AC電壓于每一側(cè)，提供相對于單 側(cè)途徑的擴(kuò)展靈活性。
[0015] 在又另一方面，揭示了一種聲設(shè)備。在一個實施例中，所述設(shè)備包括至少一個波束 形成器電路;及換能器元件的陣列，其包括重復(fù)單側(cè)電極(SSE)圖案。
[0016] 在另一實施例中，所述設(shè)備包括至少一個波束形成器電路;及換能器元件的陣列， 其包括雙側(cè)電極圖案。換能器元件的陣列經(jīng)配置使得施加于其第一側(cè)的第一驅(qū)動電壓與施 加于其第二側(cè)的第二驅(qū)動電壓異相。
[0017] 在又另一實施例中，所述設(shè)備包括:換能器元件的多個實質(zhì)上相同的N X N子陣 列；及至少一個發(fā)射及接收波束形成器。所述多個子陣列內(nèi)的所述換能器元件中的每一者 與所述實質(zhì)上相同的N X N子陣列中的其它者內(nèi)的其對應(yīng)位置處的一個或多個其它換能器 元件電互連在一起。
【附圖說明】
[0018] 本發(fā)明的特征、目的及優(yōu)點(diǎn)根據(jù)下文結(jié)合圖式陳述的詳細(xì)描述而將變得更顯而易 見，其中：
[0019] 圖1到li說明根據(jù)本發(fā)明的用于四乘以四（4x4)子陣列的一個實施例的多個示范 性(樣本)相圖案。
[0020] 圖2(a)到2(d)是多個(例如，四（4)個)聲束中的每一者的獨(dú)立產(chǎn)生的示范性電極 圖案的圖形表示，所述電極圖案被標(biāo)示為水平及垂直"Γ波束陣列圖案（分別在圖2(a)和2 (b)中）及水平及垂直"Q"波束陣列圖案(分別在圖2(c)和2(d)中）。
[0021] 圖3是產(chǎn)生圖2的多個(例如，四（4)個)聲束中的每一者所需要的唯一的四（4)個四 乘以四（4x 4)子陣列的示范性電極圖案的圖形表示，電極圖案分別被標(biāo)示為水平及垂直平 面中的"Γ及"Q"。
[0022] 圖4是經(jīng)配置以同時產(chǎn)生多個(例如，四（4)個)ADCP發(fā)射波束的示范性加總電極圖 案的圖形表示。
[0023]圖5是根據(jù)本發(fā)明的由多個四乘以四（4x 4)子陣列組成的三十二乘以三十二 (32x32)陣列的示范性實施例的圖形表示。
[0024]圖6是使用雙偵彳(例如，紅色及黑色）印刷電路板（"PCB"）以利用十六（16)個互連線 將多個四乘以四（4x 4)子陣列互連的示范性2D陣列互連配置的圖形表示。
[0025]圖7是具有二十四（24)個四（4x 4)子陣列及相關(guān)波束形成器的示范性2D換能器陣 列的圖形表示。
[0026]圖8是示范性2D子陣列換能器配置的圖形表示，其示出了由此形成的各種波束。
[0027]本文中揭不的所有圖是?Copyright 2013-2014 Rowe Technologies, Inc(羅威 技術(shù)有限公司）。保留所有版權(quán)。
【具體實施方式】 [0028] 概述
[0029] -方面，揭示了用于從由一或多個相同子