刈幅束声学换能器

摘要

用于投射和/或接收声波刈幅束(108)的刈幅束声学换能器(100)。该换能器包括有源声学元件(104)阵列，所述有源声学元件(104)被布置为共同提供具有相关联的声学孔径(110)的细长凹辐射表面(106)。有源声学元件(104)阵列可操作以通过该辐射表面(106)投射和/或接收声波刈幅束(108)。

权利要求

1.一种用于投射声波刈幅束的刈幅束声学换能器，包括：

有源声学元件的阵列，所述有源声学元件被布置为共同提供具有相关联的声学孔径的细长凹辐射表面，并且其中所述有源声学元件的阵列可操作以从该辐射表面投射声波刈幅束；以及控制系统，该控制系统电连接到有源声学元件，并且被配置为产生电驱动信号以驱动每个有源声学元件，从而从辐射表面投射声波刈幅束，所述声波刈幅束在横切所述辐射表面的纵向方向的平面内具有宽视场，并且其中刈幅束的远场声学强度在该视场内大体是均匀的。

2.如权利要求1所述的刈幅束声学换能器，其中所述控制系统进一步被配置为从有源声学元件接收和处理响应由辐射表面接收到的声波刈幅束而产生的电信号。

3.如权利要求1或2所述的刈幅束声学换能器，其中由于辐射表面大体符合半圆柱的外周外表面，该辐射表面是凹圆柱辐射表面。

4.如权利要求3所述的刈幅束声学换能器，其中环绕凹半圆柱辐射表面布置有源声学元件，每个元件被以到圆柱轴的半径相等地间隔。

5.如在权利要求4所述的刈幅束声学换能器，其中有源声学元件的阵列被布置为提供大体连续的辐射表面。

6.如在权利要求1或2所述的刈幅束声学换能器，其中每个有源声学元件是声学换能器元件，所述声学换能器元件包括耦连在可被电激励的电极之间的有源声学材料。

7.如权利要求6所述的刈幅束声学换能器，其中每个声学元件被提供有直接或间接耦连到有源声学材料的一个或多个匹配层，所述一个或多个匹配层被布置为在换能器和声学介质之间提供阻抗匹配，其中声束通过所述声学介质传播。

8.如权利要求7所述的刈幅束声学换能器，其中每个有源声学元件包括位于辐射表面和有源声学材料之间的匹配层。

9.如在权利要求1或2所述的刈幅束声学换能器，其中有源声学元件在支撑结构内被彼此声学隔离。

10.如权利要求1所述的刈幅束声学换能器，其中阵列中的每个有源声学元件是直的并且是细长的。

11.如权利要求10所述的刈幅束声学换能器，其中每个有源声学元件的长度沿着辐射表面的整个长度延伸。

12.如权利要求10或11所述的刈幅束声学换能器，其中所述换能器被布置为在辐射表面的纵轴方向上产生具有大体固定宽度的刈幅束。

13.如权利要求10或11所述的刈幅束声学换能器，其中由多个单个的有源声学元件的行共同形成每个直且细长的有源声学元件，所述多个单个的有源声学元件沿着换能器的长度彼此声学隔离和电隔离。

14.如权利要求13所述的刈幅束声学换能器，其中单个的有源声学元件的行沿着换能器的长度相对于彼此对齐，从而沿着换能器的长度提供有源声学元件的一系列可选择地操作的凹阵列分段。

15.如权利要求14所述的刈幅束声学换能器，其中控制系统可操作以激活或去活有源声学元件的凹阵列分段中的任意一个或多个，从而控制辐射表面的有效长度，并由此控制在辐射表面纵轴方向上传播的刈幅束的宽度。

16.如权利要求14所述的刈幅束声学换能器，其中控制系统可操作以给有源声学元件的凹阵列分段施加不同定相的驱动信号，从而在围绕横切辐射表面纵轴的轴的希望方向上引导传播的刈幅束。

17.如在权利要求1或2所述的刈幅束声学换能器，其中有源声学元件被所述控制系统以预定的操作频率驱动，并且有源声学元件阵列被布置以使得环绕辐射表面的相邻声学元件之间的中心到中心距离不大于该操作频率的波长的一半。

18.如在权利要求1或2所述的刈幅束声学换能器，其中辐射表面通过一个或多个保护层间接暴露于声学介质，其中投射的或接收到的声波刈幅束通过所述声学介质传播。

19.如权利要求18所述的刈幅束声学换能器，其中辐射表面形成所述声学孔径，其中通过该声学孔径投射或接收声波刈幅束，所述一个或多个保护层布置为至少部分地填充该声学孔径。

20.如权利要求19所述的刈幅束声学换能器，其中由被配制为在水中是声学透明的橡胶形成至少一个所述保护层以使得该换能器能够在水下操作。

21.一种投射声波刈幅束的方法，包括驱动共同提供具有相关联的声学孔径的细长凹辐射表面的、包含在刈幅束声学换能器中的有源声学元件的阵列以投射刈幅束，所述刈幅束在横切所述辐射表面的纵向方向的平面内具有宽视场，并且其中刈幅束的远场声学强度在该视场内大体是均匀的。

22.如权利要求21所述的投射声波刈幅束的方法，其中所述换能器由沿着所述换能器长度的有源声学元件的一系列可选择地操作的凹阵列分段形成。

23.如权利要求22所述的投射声波刈幅束的方法，还包括步骤：

激活或去活凹阵列分段中的任意一个，由此控制辐射表面的有效长度，并由此控制在辐射表面纵轴方向上传播的刈幅束的宽度。

24.如权利要求22或23所述的投射声波刈幅束的方法，还包括步骤：

通过向凹阵列分段施加不同定相的驱动信号，在围绕横切辐射表面纵轴的轴的希望方向上引导传播的刈幅束。

25.一种用于投射声波刈幅束的刈幅束声学换能器，包括：

有源声学元件的阵列，所述有源声学元件被布置为共同提供具有相关联的声学孔径的细长凹辐射表面，并且其中所述有源声学元件的阵列在使用中被电驱动以从该辐射表面投射声波刈幅束，所述声波刈幅束在横切所述辐射表面的纵向方向的平面内具有宽视场，并且其中刈幅束的远场声学强度在该视场内大体是均匀的。

26.如权利要求25所述的刈幅束声学换能器，其中所述有源声学元件的阵列在使用中还被操作用于接收所述辐射表面处的刈幅束。

说明书

刈幅束声学换能器

技术领域

[0001] 本发明涉及用于投射和/或接收声学刈幅束(swath beam)的声学换能器。

背景技术

[0002] 许多应用中使用声束，包括声纳和其它水下声学设备、音频换能器、以及空间声学控制，例如建筑物声学。

[0003] 在声纳和水下声学设备中，目标是绘制洋底或检测水中的静止或移动物体。对水下声学设备的其它使用包括寻找鱼或鱼群估计、诸如船壳、桥墩的水下物体检查和导航。在许多这些应用中，希望利用能够投射远场声波刈幅束的声学换能器。刈幅束一般被认为是在一个方向上覆盖广角，并且在垂直方向上覆盖窄宽度的束。

[0004] 用于投射刈幅束的已知声学换能器一般包括布置为行阵列或可替换地布置为凸圆柱阵列的有源(active)换能器元件。这两种声学换能器都具有局限性。例如，行阵列声学换能器由于其有限的宽度通常具有束功率限制。

[0005] 关于凸圆柱阵列换能器，它们具有大小约束，即，由于结构要求，它们的直径相对于操作频率一般不能小于几个波长。例如，图1示出了用于产生刈幅束的凸圆柱阵列换能器10的已知结构的例子的横截面端视图。简言之，凸圆柱换能器10包括支撑结构14内的以凸圆柱布置固定的有源换能器元件12阵列。在操作中，驱动换能器元件12以便通过声学孔径16投射整体广角刈幅束。声学孔径16具有以箭头20定义的宽度。典型地，换能器元件12具有相对于操作频率大约半个波长的厚度，并且这需要元件正面之间相当大的间隔18。因此，凸圆柱换能器10的直径一般必须至少为几个波长以便有效地操作。这是由于将元件12布置在具有小直径的凸圆柱中增加了元件之间的间隔18，并且这往往导致刈幅束的关注角度内的不能承受的大响应变化。

[0006] 在本说明书中，参考了专利说明书，其它外部文档或其它信息来源，这一般是出于提供讨论本发明的特征的上下文的目的。除非特别指出，对这些外部文档的参考不认为是承认这些文档或这些信息来源在任何管辖范围内是现有技术，或构成本领域公知技术的一部分。

[0007] 本发明的目的是提供一种用于投射和/或接收刈幅束的改进的声学换能器，或至少给公众提供一种有用的选择。

发明内容

[0008] 在第一个方面，本发明主要包括用于投射和/或接收声波刈幅束的刈幅束声学换能器，该刈幅束声学换能器包括：有源声学元件阵列，其布置为共同提供具有相关联的声学孔径的细长凹辐射表面，并且其中有源声学元件阵列可以操作以便通过该辐射表面投射和/或接收刈幅束。

[0009] 优选地，由于辐射表面大体符合半圆柱的外周外表面，辐射表面可以是凹圆柱辐射表面。

[0010] 优选地，可以围绕凹半圆柱辐射表面布置有源声学元件，相对于圆柱轴以一个半径相等地间隔每个元件。

[0011] 优选地，有源声学元件阵列可被布置为提供大体连续的辐射表面。

[0012] 优选地，每个有源声学元件可以是声学换能器元件，其包括耦连在可被电激励的电极之间的有源声学材料。更优选地，给每个声学元件提供直接或间接耦连到有源声学材料的一个或多个匹配层，匹配层(多个)被布置为在换能器和声学介质之间提供阻抗匹配，声束通过所述声学介质传播。作为例子，每个有源声学元件可以包括位于辐射表面和有源声学材料之间的匹配层。

[0013] 优选地，有源声学元件可被在支撑结构内彼此声学隔离。

[0014] 优选地，该刈幅束声学换能器还可以包括控制系统，该控制系统电连接到每个有源声学元件，并且可以操作以便产生电驱动信号，以便驱动每个有源声学元件，从而从辐射表面投射整体刈幅束，或可替换地从有源声学元件接收和处理响应由辐射表面接收到的刈幅束而产生的电信号。

[0015] 优选地，阵列中的每个有源声学元件可以是直的并且是细长的。更优选地，每个有源声学元件的长度可以大体沿着辐射表面的总长度延伸。

[0016] 在一种形式中，换能器可被布置为产生在辐射表面的纵轴方向上具有大体固定的宽度的刈幅束。

[0017] 在另一种形式中，由多个个体有源声学元件的行共同形成每个直的并且细长的有源声学元件，所述多个个体有源声学元件沿着换能器的长度彼此声学和电隔离。优选地，个体有源声学元件的行可以沿着换能器的长度相对于彼此对齐，从而沿着换能器的长度提供有源声学元件的一系列可选择地操作的凹阵列分段。更优选地，控制系统可以操作，以便激活或去活有源声学元件的凹阵列分段中的任意一个或多个，从而控制辐射表面的有效长度，并且从而辐射表面纵轴方向上的传播刈幅束的宽度。另外或可替换地，该控制系统可以操作，以便给有源声学元件的凹阵列分段施加不同定相的驱动信号，从而围绕横贯辐射表面纵轴的轴在所希望的方向上指引传播的刈幅束。

[0018] 优选地，有源声学元件阵列可以操作，以便投射在垂直于换能器的纵轴的平面内具有宽视场的声波刈幅束，并且其中远场声学强度在该视场内大体是均匀的。

[0019] 优选地，有源声学元件被以预定的操作频率激活，并且有源声学元件阵列被布置为围绕辐射表面的相邻声学元件的中心到中心距离不大于该操作频率的波长的近似一半。

[0020] 优选地，辐射表面可以通过一个或多个保护层间接暴露于声学介质，投射或接收到的声波刈幅束通过所述声学介质传播。更优选地，辐射表面形成声学孔径，通过该声学孔径投射或接收声波刈幅束，一个或多个保护层布置为至少部分地填充该声学孔径。仅仅作为例子，可由橡胶形成保护层(多个)，该橡胶被配制为在水中是声学透明的，以便使得换能器可以在水下操作。

[0021] 在第二个方面，本发明主要包括一种用于投射和/或接收声波刈幅束的声学换能器，其包括可操作的声学换能器元件的凹圆柱布置。

[0022] 在第三个方面，本发明主要包括一种投射声波刈幅束的方法，该方法包括驱动可操作的声学换能器元件的凹圆柱布置，以便投射刈幅束。

[0023] 本发明的第二和第三方面可以具有在本发明的第一方面中提及的任意一个或多个特征。

[0024] 本说明书和权利要求书中使用的短语“辐射表面”旨在意指由有源声学元件阵列形成的与声学孔径相关联的共同或有效表面，并且其是投射和/或接收声束的表面，不论该表面直接暴露于声学介质，还是通过一个或多个其它层间接暴露于声学介质。

[0025] 本说明书和权利要求书中使用的短语“刈幅束”旨在意指在一个方向上覆盖广角，并且在垂直方向上具有较窄或可替换地可控制的宽度或焦点的远场声束。

[0026] 本说明书和权利要求书中使用的术语“包括(comprising)”的含义是“至少部分由...组成”。当解释本说明书和权利要求书中包括术语“包括”的每个语句时，还可以存在以该术语为前序的特征之外的特征。相关术语(诸如，“comprise”和“comprises”)也可被以相同方式解释。

[0027] 此处使用的术语“和/或”的含义是“和”或者“或”或这两者。

[0028] 此处在名词之后使用的“s”意指名词的复数和/或单数形式。

[0029] 本发明包括上述内容，并且还设想下面仅以例子给出的构造。

附图说明

[0030] 参考附图，仅以示例方式描述本发明的优选实施例，在附图中：

[0031] 图1示出了用于产生刈幅束的常规凸圆柱声学换能器阵列的例子的横截面端视图；

[0032] 图2示出了根据本发明的优选实施例的声学换能器的横截面端视图；

[0033] 图3A示出了本发明的第一优选形式声学换能器的横截面端视图；

[0034] 图3B示出了沿着图3A的直线AA观看的第一优选形式声学换能器的横截面端视图；

[0035] 图4A示出了本发明的第二优选形式声学换能器的横截面端视图；

[0036] 图4B示出了沿着图4A的直线AA观看的第二优选形式声学换能器的横截面端视图；

[0037] 图5A是对于包括换能器纵轴的平面内的各个束引导角，从以160kHz频率操作的图4A和4B的第二优选形式声学换能器投射的声波刈幅束的远场方向性模式的曲线图；和[0038] 图5B是在垂直于换能器纵轴的平面内，从以160kHz频率操作的图4A和4B的第二优选形式声学换能器投射的声波刈幅束的远场方向性模式的曲线图。

具体实施方式

[0039] 概述

[0040] 本发明涉及用于产生和/或接收声波刈幅束的声学换能器。如本描述中提及的，刈幅束通常是在一个方向覆盖广角并且在垂直方向上具有窄的或可替换地可控制的宽度或焦点的远场声束。在这个上下文中，远场一般被认为是比换能器的大小和其操作频率的波长大得多的距离。该声学换能器可被配置为以任意希望的操作频率产生和接收声波，例如包括可听到的和超声波频率。

[0041] 参考图2，示出了本发明的声学换能器100的结构的横截面端视图。图2的视图处在垂直于换能器100的纵轴的平面内。简言之，声学换能器100包括细长的支撑结构102，其被布置为支撑有源声学元件104阵列。有源声学元件104相对于彼此以大体凹模式布置，从而提供大体凹的细长辐射表面106，换能器100从该辐射表面106投射和接收声束。更具体地，有源声学元件104被布置为共同提供用于声波刈幅束的大体连续的凹的并且细长的辐射表面106。

[0042] 应当理解，可以驱动每个有源声学元件104，以便产生声束，并且总远场刈幅束108是所有单个声束的叠加。如图所示，刈幅束108在垂直于换能器纵轴的平面内具有广角或宽视场(FOV)。换能器100的FOV取决于由声学有源元件104形成的声学孔径110的开口大小。在优选形式中，声学换能器能够投射在FOV内具有大体均匀的远场声学强度的刈幅束。

[0043] 关于刈幅束108在FOV的垂直方向(或沿着换能器100的纵轴的进入页面内)的宽度，其取决于声学有源元件104和辐射表面106的长度。应当理解，更长的换能器100在换能器100纵轴方向上产生较窄的刈幅束，并且反之更短的换能器产生较宽的刈幅束。

[0044] 如前所述，声学换能器100包括以有源声学元件104的凹布置提供的大体凹的细长辐射表面106。在该优选形式中，辐射表面106大体符合具有相关联直径的圆柱外周外表面的一部分或段，并且这被称为“凹圆柱辐射表面”。换言之，由于有源声学元件符合半圆柱的外表面，因此该辐射表面在某些形式中可被认为是半圆柱形的。例如，可以说有源声学元件104相对于一段虚拟圆柱表面径向向外延伸，每个元件以到圆柱轴的半径相等间隔。典型地，凹圆柱辐射表面的延伸不超过圆柱总圆周的一半。然而，应当理解，细长凹辐射表面106不必符合半圆柱，并且可替换地可以简单地是向内弯曲并且本质上不是圆柱形的精确辐射表面。

[0045] 凹圆柱换能器100能够产生与图1所示的已知传统凸圆柱换能器10相同的广角刈幅束，但是具有更少数目的有源声学元件104和具有以箭头112指示的宽度的更小的声学孔径110。仅作为例子，图1的已知常规凸圆柱换能器需要操作频率的10-12个波长的最小直径大小，以及相对于图2的凹圆柱换能器100宽得多的孔径20，图2的凹圆柱换能器100可以用近似2.5个波长直径的凹圆柱辐射表面大小产生具有相同FOV的刈幅束。在获得更小换能器的一般益处的同时，更小的声学孔径110允许使用定相阵列技术沿着换能器纵轴或圆柱轴的用于旁瓣抑制和电子束引导的遮蔽应用。

[0046] 现在仅以示例方式，更详细地描述本发明的声学换能器的更多优选形式。

[0047] 第一优选形式-单通道声学换能器

[0048] 参考图3A和3B，现在将描述第一优选形式的单通道声学换能器200。在第一优选形式中，声学换能器200包括支撑多个有源声学元件204的阵列的支撑结构202，其中有源声学元件204布置为提供用于投射和/或接收声波刈幅束的细长的凹辐射表面206。优选地，有源声学元件204处于凹圆柱布置，以便提供用于预定操作频率或操作频率范围的预定直径的凹圆柱辐射表面。支撑结构可以是用于将有源声学元件阵列支撑到位的任意形式适合的已知换能器阵列支撑材料或机械系统。在第一优选形式中，在有源声学元件204内和周围提供支撑结构，以便将它们彼此声学隔离。如本领域技术人员理解的，支撑结构可以包括任意声学隔离材料。仅仅作为例子，支撑结构可由刚性多孔聚合材料形成。

[0049] 辐射表面206可以直接暴露于或通过一个或多个保护层间接暴露于声学介质。应当理解，当从换能器投射或由换能器接收声束时，声束通过声学介质传播。如果采用保护层(多个)，它们可被根据设计要求以各种方式安装、固定或被形成在辐射表面上。应当理解，可以使用机械或其它固定方法将保护层(多个)固定在辐射表面206上，包括但不限于，粘合剂或模塑技术。作为例子，可以可选择地至少部分地以保护层212填充由凹的细长辐射表面206提供的腔或声学孔径210。例如，如果采用换能器200作为水下换能器，则可由被配制为在水中是声学透明的橡胶形成保护层212。对于水下发射换能器，保护层212的厚度可以根据换能器200的操作功率改变，以避免声束高强度区域内的气穴(caviation)。应当理解，保护层212本质上是不必要的，但是可以针对特定操作条件增强换能器的性能。

[0050] 如上所述，声学孔径210的宽度和开口定义垂直于换能器纵轴的平面内的由声学换能器200投射的远场刈幅束的FOV或覆盖角度(图3A)。应当理解，阵列中有源声学元件204的数目可以根据任意具体应用和操作频率所需要的凹圆柱辐射表面的直径改变。

[0051] 由声学换能器200投射的远场刈幅束或声纳束在包括换能器纵轴的平面内的宽度或焦点(图3B)取决于以箭头214一般指示的由细长有源声学元件204提供的辐射表面206的总长度。具体地，更长的换能器在垂直于FOV的方向上产生较窄宽度的刈幅束，并且对于更短长度的换能器则情况相反。

[0052] 总之，应当理解，可以修改或配置有源声学元件204的长度和与辐射表面206相关联的声学孔径的直径，以便投射针对具体操作频率具有预定FOV和宽度的特定远场刈幅束。

[0053] 在第一优选形式中，阵列中的每个有源声学元件204可以是任意形式的可操作声学换能器元件。有源声学元件204优选地具有相同的形状和大小，虽然在替换形式的换能器中这不是必须的。作为例子，每个有源声学元件204可以具有在换能器的大体总长度上延伸的细长连续结构的形式。每个细长结构可以包括一片或一层有源声学材料，诸如细长压电陶瓷板204a。如图3A所示，每个压电陶瓷板204a具有面向辐射表面206的正面216a和面向换能器底部的相对背面216b。可选择地，有源声学元件204的每个结构还可以包括在压电陶瓷板204a的正面216a上提供的匹配层或元件204b，以便形成有效辐射表面206。然而，应当理解，在替换形式的换能器中，元件204的有源声学材料可以带有或不带有一个或多个匹配层或延伸物以直接且共同形成辐射表面206。应当理解，元件204的匹配层204b可由具有适合的特定声学阻抗的任意材料形成，包括，仅仅作为例子，聚合物、金属、氧化物和合成材料。

[0054] 虽然未示出，但每个有源声学元件204还包括将有源声学材料204a夹在其正面216a和背面216b之间的前后电极。另外，提供到每个有源声学元件204的电极的电连接，以便能够在主动模式中驱动该元件，以便产生声波或束，或可替换地，在被动模式中响应由接收到的入射到辐射表面206上的声波或束对有源声学材料的激励来接收电信号。在第一优选形式中，相邻有源声学元件204之间的中心到中心距离优选地不超过操作频率波长的大约一半。

[0055] 应当理解，声学换能器200还可以包括电连接到每个有源声学元件204的电极的控制系统。该控制系统具有电子电路，这些电子电路可操作以产生用于施加到有源声学元件204的电极上的驱动信号，从而使得每个元件以已知声学应用所希望的操作频率产生并且投射声波或束。附加地或可替换地，控制系统还布置为响应在辐射表面206上接收到声束，接收由有源声学元件204产生的电信号，并且可以根据用于各种声学应用的已知声学换能器技术处理这些信号。

[0056] 在替换形式中，应当理解，有源声学元件可以是磁致伸缩元件或用于产生和/或接收声束的任意其它类型的可操作声学换能器元件。

[0057] 在第一优选形式换能器200的操作中，控制系统通过施加到元件电极上的驱动信号驱动细长有源声学元件204的凹阵列，以便产生各个声束，并且所有这些声束的叠加产生刈幅束。更具体地，激励符合凹圆柱辐射表面的有源声学元件204，以便以驱动信号在腔210内产生声波。作为电激励和压电元件204之间的声学交互的结果产生的声场形成会聚的圆柱声波波前。该波前通过焦点区域传播(在圆柱轴处或周围)并且然后发散。在比换能器的波长和大小大得多的距离处，即，在远场内，声波(刈幅束)的声学强度在一个广角(或FOV)内大体是均匀的，其宽度取决于以前提到的圆柱开口。

[0058] 总之，换能器200的有源声学元件204的凹阵列提供了用于产生具有宽FOV并且在该FOV上具有大体均匀响应的高功率刈幅束的小孔径。

[0059] 第二优选形式-多通道声学换能器

[0060] 参考图4A和4B，将描述第二优选形式声学换能器300。第二优选形式声学换能器300的构造大体类似于第一优选形式声学换能器200，并且类似组件被以类似参考号表示。
主要不同在于声学换能器300是多通道换能器，其具有将更详细解释的束引导和可变刈幅束宽度控制形式的电子束控制功能。

[0061] 参考图4A，声学换能器300包括如前所述从凹圆柱细长辐射表面206向外径向延伸的可操作有源声学元件304的阵列。然而，声学换能器300不采用如同单通道声学换能器200在换能器大体总长度上延伸的连续细长有源声学元件304。在多通道声学换能器300中，为围绕辐射表面206的圆柱轴的每个阵列元件定位提供一行多个(N)有源声学元件
3040-N。每行有源声学元件3040-N沿着换能器的长度彼此电隔离并且声学隔离。

[0062] 每行内的声学元件3040-N个体的数目优选地是相同的，并且各个有源声学元件的行优选地沿着换能器的长度相对于彼此对齐，从而沿着换能器的长度提供有源声学元件的一系列凹阵列分段。换言之，沿着换能器长度延伸的每行有源声学元件3040-N可被认为是一个径向列的元件(图4A)，并且每个径向列的有源元件被环绕凹圆柱辐射表面210布置在N个圆周行内(图4B)。有源声学元件3040-N的每个圆周行可被认为是一个凹阵列分段。

[0063] 在第二优选形式中，优选地提供用于操作和驱动有源声学元件3040-N的控制系统。可以操作声学换能器300的控制系统，以便激活或去活N个凹阵列分段中的任意一个，从而控制辐射表面206的有效长度，并且从而控制刈幅束在换能器纵轴方向上的宽度(图4B)。
例如，控制系统可被布置或配置为去活一端或两端处的N个凹阵列元件中的一个或多个，从而减小辐射表面206的有效长度，并且从而加宽投射的刈幅束的宽度。

[0064] 附加地或可替换地，控制系统可被布置为采用定相阵列技术，以便在凹阵列分段上施加不同定相的驱动信号，以便对刈幅束进入束引导，或在换能器纵轴方向上放大束宽度。例如，当在所有有源凹阵列分段上施加均匀定相时，如以具有0°指定的箭头所示，远场刈幅束从辐射表面206以大体垂直于换能器300的中心纵轴的角度传播。然而，可以沿着换能器长度在有源凹阵列分段上施加不同相位的驱动信号，以便改变刈幅束围绕横切换能器纵轴的轴的传播角度(D)，或放大换能器纵轴方向上的束宽度。

[0065] 总之，提供多通道声学换能器300以便产生可引导并且可变宽度的声波刈幅束。

[0066] 图5A示出了操作频率160kHz的声学换能器300投射的引导角D＝0°、7.7°、15.5°和23.7°的刈幅束的远场方向性模式。该方向性模式表示刈幅束在包含换能器纵轴或圆柱轴的平面内的声学响应(图4B)。图5B示出了以操作频率160kHz的声学换能器
300投射的刈幅束在垂直于换能器的纵轴或圆柱轴的平面内的远场方向性模式，或更具体地，示出了参考图4A的FOV。如图5B所示，在这个例子中对于近似100°的广角，刈幅束具有大体均匀的响应。应当理解，根据需要，广角均匀响应或FOV可以变窄或加宽。

[0067] 替换形式

[0068] 应当理解，可以可替换地以有源声学元件的符合凹的或优选地圆柱凹辐射表面的其它阵列布置和配置，形成本发明的声学换能器的凹的细长辐射表面。应当理解，有源声学元件优选地共同形成连续或大体连续的辐射表面。然而，声学换能器可以仍然在具有形成共同辐射表面的有源元件阵列正面之间的间隔的情况下操作，虽然这对于某些应用可能不是最佳设计。

[0069] 示例应用

[0070] 本发明的声学换能器优选地布置为通过小孔径产生和/或接收高功率刈幅束。这种类型的声学换能器可被用于声纳或任意其它水下声学设备或应用。另外，该声学换能器还可以在包括水和空气的任意声学介质中操作。例如，在音频应用中可以采用该声学换能器作为用于空气声学的广角声学换能器。

[0071] 应当理解，以全向换能器作为极端例子，两个或多个换能器可被在并排线性或曲线布置内耦连在一起，其各自产生自己的刈幅束，并且从而提供更宽的总视场。例如，多个耦连的换能器可用于水下扫描应用。

[0072] 本发明前面的描述包括其优选形式。可以对本发明做出修改而不脱离由所附权利要求定义的本发明的范围。