NO337904B1 - 1-3 composite structure high frequency sonar antenna - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse vedrører en antennestruktur som kan operere ved høy frekvens, bestående av piezoelektriske, keramiske kolonner gruppert sammen i delsammensetninger som danner uavhengige sensorer. Kolonnene er innlagt i en dielektrisk fyllmatriks som gir antennen god mekanisk styrke og fordelaktige akustiske egenskaper når det gjelder avkobling. Denne antenne kan særlig brukes i høy-frekvenssonarer av minesonartypen. The present invention relates to an antenna structure which can operate at high frequency, consisting of piezoelectric ceramic columns grouped together in sub-assemblies which form independent sensors. The columns are embedded in a dielectric filling matrix which gives the antenna good mechanical strength and advantageous acoustic properties when it comes to decoupling. This antenna can particularly be used in high-frequency sonars of the mine sonar type.

For å frembringe en sonarantenne som opererer ved høy frekvens er det mulig å bruke på kjent måte parallellepipediske piezoelektriske keramikker som danner jevnt fordelte kolonner på en plate. Figur 1 viser et slikt arrangement. Det kan ses i denne figur at det er et sett av piezoelektriske keramiske kolonner 10 montert på en bakplate 11. Disse kolonner kan grupperes sammen i delsammensetninger, også kalt sensorer. I et slikt arrangement blir alle kolonnene til sensoren koblet sammen via deres øvre flate 12 og brakt i kontakt via deres bakre flate med platen 11. Front- og bakflatene til kolonnene er metalliserte. Kontakten kan for eksempel frembringes ved hjelp av et metalliseringslag avsatt på flaten 13 av bakplaten 11 i kontakt med kolonnene 10. Slik oppnås et arrangement som illustrert i figur 2. Antennen frembrakt på denne måte består av et sett kolonner 10 jevnt fordelt over bakplaten 11 og gruppert sammen i sensorer 20. Flaten på bakplaten 11 som er i kontakt med kolonnene har en veksling av elementer 21 med metalliserte overflater atskilt fra hverandre av ikke-metalliserte bånd 22. Hver metallisert overflate er plassert under en gruppe kolonner som danner én og samme sensor, idet de ikke-metalliserte bånd elektrisk isolerer sensorene fra hverandre. In order to produce a sonar antenna which operates at high frequency, it is possible to use in a known manner parallelepipedal piezoelectric ceramics which form uniformly distributed columns on a plate. Figure 1 shows such an arrangement. It can be seen in this figure that there is a set of piezoelectric ceramic columns 10 mounted on a back plate 11. These columns can be grouped together in subassemblies, also called sensors. In such an arrangement, all the columns of the sensor are connected via their upper surface 12 and brought into contact via their rear surface with the plate 11. The front and rear surfaces of the columns are metallized. The contact can, for example, be produced by means of a metallization layer deposited on the surface 13 of the back plate 11 in contact with the columns 10. This results in an arrangement as illustrated in figure 2. The antenna produced in this way consists of a set of columns 10 evenly distributed over the back plate 11 and grouped together in sensors 20. The surface of the back plate 11 which is in contact with the columns has an alternation of elements 21 with metallized surfaces separated from each other by non-metallized bands 22. Each metallized surface is placed under a group of columns that form one and the same sensor , as the non-metallized bands electrically isolate the sensors from each other.

Kombinasjonen av de forskjellige kolonner som sensorer gjør det mulig å frembringe antenner som er i stand til å danne flere sende-/mottakskanaler. The combination of the different columns as sensors makes it possible to produce antennas capable of forming several transmission/reception channels.

I tilfelle av høyfrekvens akustisk transmisjon, typisk mellom 100 kHz og flere MHz, er kolonnene som danner antennen av små dimensjoner. Den mekaniske styrke av antennen bestående av kolonnene og bakplaten oppnås på kjent måte ved å fylle rommene mellom kolonnene med et rigid dielektrikum også kalt en matriks. På denne måte oppnås det en struktur som vanligvis kalles en 1-3 kompositt. In the case of high frequency acoustic transmission, typically between 100 kHz and several MHz, the columns forming the antenna are of small dimensions. The mechanical strength of the antenna consisting of the columns and the back plate is achieved in a known manner by filling the spaces between the columns with a rigid dielectric also called a matrix. In this way, a structure is obtained which is usually called a 1-3 composite.

Strukturen som slik frembringes, fullføres med tilpassende lag og en forseglende membran som plasseres på de øvre flater 12. Frontplaten som slik er frembrakt, danner flaten til antennen som er i kontakt med forplantningsmediet, for eksempel sjøen. Bruk av tilpasningslag er særlig beskrevet i fransk patentsøknad 94/08474 innlevert av søkeren og publisert 12.1.96 under nr. 2 722 358. The structure thus produced is completed with conforming layers and a sealing membrane which is placed on the upper surfaces 12. The front plate thus produced forms the surface of the antenna which is in contact with the propagation medium, for example the sea. The use of adaptation layers is particularly described in French patent application 94/08474 filed by the applicant and published 12.1.96 under no. 2 722 358.

Fyllmatriksen som brukes, er vanligvis basert på polyuretan eller en epoksyharpiks, idet disse to materialer har både fordeler og ulemper. The filler matrix used is usually based on polyurethane or an epoxy resin, these two materials having both advantages and disadvantages.

Epoksybaserte 1-3-kompositter har fordelen av å inneha en høy hydrostatisk koeffisient dhsom for eksempel kan være opp til noen få hundrede pikocoulumb per newton. En slik hydrostatisk koeffisient gjør det mulig særlig å oppnå en høy mekanisk elektrisk konverteringskoeffisient <t>. Det vil være kjent at koeffisienten O gitt ved uttrykket: Epoxy-based 1-3 composites have the advantage of having a high hydrostatic coefficient dh, which can for example be up to a few hundred picocoulombs per newton. Such a hydrostatic coefficient makes it possible in particular to achieve a high mechanical electrical conversion coefficient <t>. It will be known that the coefficient O given by the expression:

hvor Y er Youngs modul av materialet og S og I er overflate- og tykkelsesdimensjo-nene. where Y is Young's modulus of the material and S and I are the surface and thickness dimensions.

Epoksybasert 1-3-kompositter har også fordelen av å ekspandere bare litt med endringer i temperatur og innehar god adhesjon til keramikken. Derved unngås å måtte bruke spesifikke prepareringer ment å sikre at matriksen fester seg til kolonnene. Epoxy-based 1-3 composites also have the advantage of expanding only slightly with changes in temperature and have good adhesion to the ceramics. This avoids having to use specific preparations intended to ensure that the matrix adheres to the columns.

Imidlertid har epoksybaserte 1-3-kompositter middelmådige akustiske avkoblingsegenskaper og bruk av epoksymatriser resulterer i akustisk krysstale mellom sensorene, hvilket vesentlig reduserer kvaliteten av de dannede kanaler. However, epoxy-based 1-3 composites have mediocre acoustic decoupling properties and the use of epoxy matrices results in acoustic cross-talk between the sensors, which significantly reduces the quality of the formed channels.

Når det gjelder polyuretan baserte 1-3-kompositter, har disse en god akustisk av-koblingskvalitet og tillater derfor tilfredsstillende avkobling av de dannede kanaler. Imidlertid innehar polyuretan en lavere hydrostatisk koeffisient enn epoksy, i stør-relsesorden noen få titalls pikocoulumb per newton, og derfor en lavere koeffisient O. Videre gjør den lave styrke av polyuretan og dens temperaturoppførsel at dette materiale ikke er meget vel egnet til produksjon av en antenne med tilstrekkelig styrke og som utviser god følsomhet for temperaturvariasjoner. In the case of polyurethane-based 1-3 composites, these have a good acoustic decoupling quality and therefore allow satisfactory decoupling of the formed channels. However, polyurethane has a lower hydrostatic coefficient than epoxy, in the order of a few tens of picocoulombs per newton, and therefore a lower coefficient O. Furthermore, the low strength of polyurethane and its temperature behavior mean that this material is not very well suited for the production of a antenna with sufficient strength and which exhibits good sensitivity to temperature variations.

Fra US 4 572 981 er det kjent en antenne bestående av et sett av piezoelektriske keramiske blokker, hvor disse blokkene er gruppert sammen for å danne uavhengige sensorer og rommet mellom blokkene er fylt med epoxy. From US 4 572 981 an antenna consisting of a set of piezoelectric ceramic blocks is known, where these blocks are grouped together to form independent sensors and the space between the blocks is filled with epoxy.

EP 1 227 525 beskriver en ultrasonisk antenne dannet av en piezokompositt bestående av laminerte komposittblader. Hver bladenhet inkluderer et harpikslag og sint-rede piezoelektriske tråder i en uniform retning på overflaten av harpikslaget. EP 1 227 525 describes an ultrasonic antenna formed from a piezo composite consisting of laminated composite blades. Each blade unit includes a resin layer and sintered piezoelectric wires in a uniform direction on the surface of the resin layer.

Andre piezoelektriske antenner finnes beskrevet i US 6 441 538, US 4 963 782, US 4 801 835 og EP 0 376 567. Other piezoelectric antennas are described in US 6,441,538, US 4,963,782, US 4,801,835 and EP 0,376,567.

Hensikten med anordningen ifølge oppfinnelsen er å oppnå en sonarantenne som har tilfredsstillende akustiske egenskaper og god mekanisk styrke. For dette formål består den av en sonarantenne omfattende piezoelektriske keramiske kolonner gruppert sammen i sensorer og inkludert i en matriks bestående av en epoksyharpiks. Denne matriks kan også bestå av ethvert annet materiale som har tilsvarende piezoelektriske, mekaniske og termiske egenskaper. Denne antenne har egenska-pen av å omfatte innleggsstriper, fortrinnsvis laget av polyuretan, som isolerer sensorene fra hverandre og derfor oppnår god avkobling mellom sensorene. Disse stripene kan også lages av ethvert annet materiale i stand til å gi god akustisk avkobling. The purpose of the device according to the invention is to obtain a sonar antenna which has satisfactory acoustic properties and good mechanical strength. For this purpose, it consists of a sonar antenna comprising piezoelectric ceramic columns grouped together in sensors and included in a matrix consisting of an epoxy resin. This matrix can also consist of any other material that has similar piezoelectric, mechanical and thermal properties. This antenna has the property of including insert strips, preferably made of polyurethane, which isolate the sensors from each other and therefore achieve good decoupling between the sensors. These strips can also be made of any other material capable of providing good acoustic isolation.

Antennen ifølge oppfinnelsen har fordelen av å inneha karakteristikkene av en antenne med en epoksymatriks mens den fremdeles innehar avkoblingskarakteristik-ker som en polyuretanmatriks tillater. Den har også fordelen av å være like enkel å produsere som en konvensjonell antenne med en epoksymatriks. The antenna according to the invention has the advantage of having the characteristics of an antenna with an epoxy matrix while still having decoupling characteristics that a polyurethane matrix allows. It also has the advantage of being as easy to manufacture as a conventional antenna with an epoxy matrix.

Prinsippet for produksjonen av en antenne ifølge oppfinnelsen beskrives i resten av dokumentet ved hjelp av figurene 3-5, som viser: - figur 3: et perspektivbilde som viser en innleggsstripe av den type som brukes i antennen ifølge oppfinnelsen, - figur 4: et skjematisk snittbilde av antennen ifølge oppfinnelsen ved tre trinn i dens fremstilling, og - figur 5: tilsvarende figur 2, viser skjematisk utseende av antennen ifølge oppfinnelsen sett fra toppen. The principle for the production of an antenna according to the invention is described in the rest of the document with the help of figures 3-5, which show: - figure 3: a perspective view showing an insert strip of the type used in the antenna according to the invention, - figure 4: a schematic sectional view of the antenna according to the invention at three stages in its manufacture, and - figure 5: corresponding to figure 2, shows a schematic appearance of the antenna according to the invention seen from the top.

For å dra fordel av de akustiske avkoblingsegenskaper tilbudt av polyuretan, har antennen ifølge oppfinnelsen innleggsstriper. Disse striper, som vist i figur 3, tar form av parallellepipediske striper 30 laget av polyuretan. Tykkelsen av stripene bestemmes for å oppnå den optimale avkobling ved den brukte frekvens, uten å skade karakteristikkene assosiert med epoksymatrisen. Foreksempel kan stripene produseres ved å støpe et tynt ark, fra hvilket innleggsstripene deretter kuttes ut. In order to take advantage of the acoustic decoupling properties offered by polyurethane, the antenna according to the invention has insert strips. These strips, as shown in Figure 3, take the form of parallelepipedic strips 30 made of polyurethane. The thickness of the strips is determined to achieve the optimal decoupling at the frequency used, without damaging the characteristics associated with the epoxy matrix. For example, the strips can be produced by casting a thin sheet, from which the insert strips are then cut out.

Innleggesstripene inkorporeres i strukturen av antennen ifølge oppfinnelsen under dens produksjon. Figur 4 illustrerer de tre trinn i produksjonen av antennen. Figur 4a illustrerer det første trinn, som består av å helle en epoksyharpiks inn i rommene som ligger mellom kolonnene med tykkelse omtrent 20 % av høyden av kolonnene. Harpikslaget 40 sprer seg utover overflaten av bakplaten 11. Figur 4b illustrerer det andre trinn, som består av å isolere sensorene fra hverandre ved å sette inn polyuretanstripene 30 i den uherdede epoksyharpiks. Stripene kan for eksempel settes inn manuelt og posisjoneres vesentlig vendende mot de ikke-metalliserte bånd 22 vist i figur 2. Figur 4c illustrerer det siste produksjonstrinnet. Dette trinnet består i å helle mer epoksyharpiks inn i rommene som ligger mellom rommene for å danne et harpikslag 41 hvis høyde er omtrent lik høyden av kolonnene 10. Harpiksen blir deretter herdet ved kjente metoder, omfattende for eksempel romtemperatur, krysslin-king og varm postkrysslinkingsoperasjoner etterfulgt av polerings- og metallise-ringsoperasjoner. The insert strips are incorporated into the structure of the antenna according to the invention during its manufacture. Figure 4 illustrates the three steps in the production of the antenna. Figure 4a illustrates the first step, which consists of pouring an epoxy resin into the spaces between the columns with a thickness of approximately 20% of the height of the columns. The resin layer 40 spreads beyond the surface of the back plate 11. Figure 4b illustrates the second step, which consists of isolating the sensors from each other by inserting the polyurethane strips 30 into the uncured epoxy resin. The strips can, for example, be inserted manually and positioned substantially facing the non-metallized bands 22 shown in Figure 2. Figure 4c illustrates the last production step. This step consists of pouring more epoxy resin into the spaces located between the spaces to form a resin layer 41 whose height is approximately equal to the height of the columns 10. The resin is then cured by known methods, including, for example, room temperature, crosslinking and hot post crosslinking operations followed by polishing and metallization operations.

En antenne ifølge oppfinnelsen, hvor en skjematisk representasjon av denne i topp-bildet er gitt ved figur 5, blir slik tilveiebrakt. Denne figur viser en struktur omfattende en bakplate 11 og et sett av piezoelektriske keramiske kolonner 10, elektrisk gruppert sammen i delsammensetninger som definerer sensorer 21. Overflaten av platen 11 i kontakt med kolonnene haren veksling av elementer med metalliserte overflater 21 atskilt fra hverandre av ikke-metalliserte bånd 22. Strukturen av antennen omfatter også innleggsstriper 30 som danner skiller mellom de forskjellige grupper av kolonner. An antenna according to the invention, where a schematic representation of this in the top view is given in Figure 5, is thus provided. This figure shows a structure comprising a back plate 11 and a set of piezoelectric ceramic columns 10, electrically grouped together in subassemblies defining sensors 21. The surface of the plate 11 in contact with the columns has alternating elements with metallized surfaces 21 separated from each other by non- metallized bands 22. The structure of the antenna also includes insert strips 30 which form divisions between the different groups of columns.

Som kan ses i figur 5, har strukturen av antennen ifølge oppfinnelsen fordelen av å ikke være vanskelig å frembringe, mens den fremdeles gir ytelseskarakteristikker som er vesentlig bedre enn til en konvensjonell struktur, som illustrert ved figur 2. As can be seen in Figure 5, the structure of the antenna according to the invention has the advantage of not being difficult to produce, while still providing performance characteristics that are significantly better than a conventional structure, as illustrated by Figure 2.

For å validere denne type struktur ble målinger utført av søkeren på en antenne som har et areal på 132 mm<2>(6 mm x 22 mm) og en tykkelse av 5 mm, og med kolonner gruppert sammen i fem sensorer. Disse målinger demonstrerte at en slik antenne ifølge oppfinnelsen omfatter polyuretan innleggsstriper, 0,85 mm i tykkelse, utviser interkanal krysstale redusert med omtrent 15 dB i forhold til en konvensjonell antenne, som nærmere bestemt ikke omfatter innleggsstriper. Denne antenne har også tilsvarende mekaniske og piezoelektriske egenskaper. To validate this type of structure, measurements were made by the seeker on an antenna that has an area of 132 mm<2> (6 mm x 22 mm) and a thickness of 5 mm, and with columns grouped together in five sensors. These measurements demonstrated that such an antenna according to the invention comprises polyurethane insert strips, 0.85 mm in thickness, exhibits inter-channel crosstalk reduced by approximately 15 dB compared to a conventional antenna, which specifically does not include insert strips. This antenna also has corresponding mechanical and piezoelectric properties.

Claims (4)

1. HF-sonarantenne omfattende minst ett sett av piezoelektriske keramiske kolonner arrangert på en bakplate, idet disse kolonner er gruppert sammen for å danne uavhengige sensorer, rommet som ligger mellom kolonnene er fylt med en epoksymatrise, karakterisert vedat den omfatter innleggsstriper inkorporert i matriksen, idet disse inndelinger utføres i et materiale som utviser sterk akustisk avkobling og frembringer skille mellom de forskjellige sensorer.1. HF sonar antenna comprising at least one set of piezoelectric ceramic columns arranged on a back plate, these columns being grouped together to form independent sensors, the space between the columns being filled with an epoxy matrix, characterized in that it comprises insert strips incorporated in the matrix, these divisions being made in a material which exhibits strong acoustic decoupling and produces separation between the different sensors. 2. Antenne ifølge krav 1, karakterisert vedat innleggsstripene frembringes ved å kuttes ut fra det samme ark av materiale.2. Antenna according to claim 1, characterized in that the insert strips are produced by cutting from the same sheet of material. 3. Sonarantenne ifølge et av kravene 1 og 2, karakterisert vedat innleggsstripene er laget av polyuretan.3. Sonar antenna according to one of claims 1 and 2, characterized in that the insert strips are made of polyurethane. 4. Prosess for å frembringe en antenne ifølge et av de foregående krav,karakterisert vedat den omfatter i det minste: - et første fylletrinn, hvor rommet som ligger mellom kolonnene fylles med en epoksyharpiks med en tykkelse omtrent lik 20 % av høyden av kolonnene, - et innleggstrinn hvor innleggesstripene legges inn i epoksyharpiksen, idet stripene plasseres slik at de atskiller sensorene fra hverandre, og - et andre fyllingstrinn hvor rommet som ligger mellom kolonnene fylles med epoksyharpiks, slik at dette rom fylles til tykkelsen av omtrent lik høyden av kolonnene.4. Process for producing an antenna according to one of the preceding claims, characterized in that it comprises at least: - a first filling step, where the space between the columns is filled with an epoxy resin with a thickness approximately equal to 20% of the height of the columns, - an insertion step where the insert strips are inserted into the epoxy resin, the strips being placed so that they separate the sensors from each other, and - a second filling step where the space between the columns is filled with epoxy resin, so that this space is filled to a thickness approximately equal to the height of the columns.