换能器技术 PPT

达到了1.7％
其他：压电聚合物（PVDF)、 压电复合材料等
C.按结构分
◆ 复合棒换能器（朗之万换能器、Tonpilz换能器）
复合棒换能器分解图
Paul.Langevin
后盖板采用重金属，前盖板采用轻金属，获取较高的前后振速比； 预应力螺栓施加预应力，可实现大功率输出； 前盖板呈喇叭形，可增加辐射面积，调节Q值。
能器
钛酸钡压 电陶瓷
锆钛酸铅 压电陶瓷 系列(PZT)
稀土超磁致 伸缩材料 （Terfenol-
弛豫铁电单晶 （PMN－PT 和PZN—PT ）
D）
1950s，机电转 换效率高，工作 温度宽，至今仍 是主力功能材料
1997，压电系数、机电耦合系数比通 常的锆钛酸铅压电陶瓷PZT（d33＝ 600pC/N,k33=70%）高出许多，分 别达到2000 pC/N和92％以上。其应 变量比通常的压电陶瓷高出10倍以上，
◆ 其他换能器结构
开缝圆管换能器
空气动力型换能器
组合式换能器
当今水声换能器朝着低频、大功率、宽带、小体积、高耐静水压方向 发展，实现低频宽带的机理和结构成为人们探求的热点。
实现宽带的机理：利用多模态耦合、改善激励方式、增加匹配层等
实现低频的结构：利用低频模态、利用液腔谐振、采用电动（磁）式等。
不同类型换能器性能对比
◆有限元法 有限元法是以变分原理和剖分插值原理为基础，将待分
析模型想象的划分成一系列单元，构造单元插值函数，将 单元内部点的状态用单元节点状态的插值函数来近似描述， 这样就将实际的物理问题转化为求解单元节点状态的代数 方程组问题。
◆ Helmholtz换能器
fr
1
2
1 MaCa
利用液腔谐振，实现小体积、低频发射
液腔谐振与其他模态（结构振动、高阶液腔 谐振等）一起使用，可实现宽带
溢流结构，几乎不受工作深度限制
工程实践中腔体形态灵活多样，不拘泥于传 统的Helmholtz腔体结构
Multiport Helmhotz transducer Janus Helmhotz transducer
绪论——水声换能器分类、应用及分析设计方法 桑永杰
为什么要学习认识换能器？
主动声呐方程：（混响背景） （SL-2TL+TS）-RL＝DT
SL-声源级，反映发射换能器辐射声功率大小。 提高声源级，即提高辐射信号的强度，相应也提高回声信号 强度，增加接收信号的信噪比，从而增加声呐的作用距离。
1.什么叫换能器 换→转换；能→能量；器→器件 通俗的讲：转换能量的器件
我们关注的是电能和声能间的相互转换： 能够发射或接收声波，并完成声波所携带的
信息和能量与电的信息和能量转换的装置，称为电 声换能器，简称换能器。
2.换能器如何实现换能 换能材料，也叫功能材料、有源材料—
—受交变电场/磁场激励产生伸缩应变
正向压电效应
逆向压电效应
磁致伸缩效应
压电陶瓷
稀土材料
3.换能器为什么要成阵
为实现或增强某些电声性能（指向性、作用 距离），将多个换能器按一定规律和形状排列起来， 形成一个阵列，就成为换能器基阵，简称基阵。
按照形状分为：平面阵、圆柱阵、球形阵、
线阵、共形阵
平面阵Baidu Nhomakorabea
圆柱阵
球形阵
拖曳线列阵
共形阵
10
9
48
9
4 95
1
7
1.艇艏圆柱阵（收、发共用） 5. 声速梯度仪基阵 8.鱼雷报警基阵
◆ 电动式换能器
输出力：F=BIL
电动式换能器的优点： (1)频率低，可做到几赫兹 (2)非谐振结构，易实现宽带 (2)体积小、重量轻
电动式换能器的缺点： (1)效率低，通常不足1%，声源级低 (2)波形差，易受工作环境影响 (2)工作深度不足
UW350
SL:平均165dB 频带：20Hz-20kHz 重量：100kg 耐压：188m
UW600
SL:（max）188dB 频带：4Hz-20kHz 重量：1070kg 耐压：200m
哈尔滨工程大学水声换能器研究室研制的 甚低频电动式声源，最低工作频率5Hz
性能指标及结构特点
◆ 工作频带： 5Hz- 1kHz
◆ 声源级：160dB ◆ 工作深度：0-50米◆ 结构尺寸：
外径 ø206mm， 高度580mm ◆ 重量： 25kg ◆ 耐海水腐蚀金属涂 层(盐雾试验可以达到 800小时)
水声换能器的分析设计方法
◆等效电路法 将换能器看为做机械振动的弹性体，利用机电类比，
给出换能器的动态电路图。由电路图计算出换能器的电 声性能。
换能器等效电路图
压电陶瓷的径向及厚度振动
压电陶瓷圆管的径向振动
优点：物理意义明确，可明确看出计算结果与哪些参量有关。 缺点：通常只能做一维分析，仅适合于简单结构的换能器。
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交流
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复合棒换能器实物照片及分解图
双向辐射复合棒换能器
特点：功率容量大、效率高、易形成宽带、结构简单紧凑、耐静水压、便于成阵等。 主要应用于舰艇主动探测、通讯声呐基阵、鱼雷声制导基阵等。
◆ 弯张换能器
弯张换能器的位移放大作用
常见的七种弯张换能器
3
9
2.中频基阵 6.都卜勒测速仪基阵 9.测深（防碰）基阵
6
3.舷侧阵 7.被动测距基阵 10. 拖曳线列阵
2 4.侦察阵
水声换能器基阵在潜艇上应用实例
4.水声换能器的分类
A. 按照工作方式分
发射换能器（transducer/projector） 接收换能器（水听器，hydrophone）
几种常见发射换能器
稀土IV弯张换能器
新型弯张换能器
六元弯张换能器线阵
特点：频率低、大功率、尺寸小、重量轻等。 主要应用于低频主动声呐、各种低频水声实验
◆ 圆管换能器
压电陶瓷圆管内外表面铺设电极，激发圆管的径向 振动；大尺寸圆管换能器需由压电陶瓷条镶拼而成。
各种压电陶瓷圆管
镶拼圆管
非溢流圆管换能器
溢流圆管换能器
特点：水平无指向性、大功率、耐静水压等。 主要应用于吊放声呐、声呐浮标声呐、各种水听器等。
几种常见水听器
B.按功能材料分
最早的 换能材 料，磁 致伸缩
镍 压电单晶
如石英，1917 年，朗之万制 成第一个实用
换能器
1940s，较 强压电性能
1970s。铽、镝与铁的合金。应变量比镍 大40~50倍，比PZT大5~8倍；能量密度 比镍大400~500倍，比压电陶瓷大10~14 倍；与PZT相比，杨氏模量小、声速低， 尤其适合制作低频、大功率、宽带水声换