换能器知识点
第二章 医学超声换能器
材料仅作厚度振动，参量仅在厚度方向时的压电方程
S = （1/YE ）T+dE
①
D = dT+εTE
②
式中：YE－电场不变时的杨氏模量
D－电位移 E－电场强度 S －应变 T －应力 εT －应力不变时的介电常数 d －压电常数
定义换能器特性的坐标系统
r0
4a2 2 4
D2 2 4
式中，D=2a——压电体直径，如a>>λ，则
声学上称：
r0
a2
① r < r0——近场区 ② r > r0——远场区
（4）轴向声强分布特点
① 近场区：声强轴向起伏分布，但平均强度不变 ② 远场区：声强轴向单调衰减，I ∝1／r2
二、径向声场分布（r=定值, θ可变）
证明：
∵ sin 1 c透 sin 2 c人
c 透 > c人，θ1,θ2<90o
∴ θ1>θ2
3. 单元探头的设计
三、常用多元探头
多元探头是将n个振元排列成某种阵列，应用电子技术， 以某种逻辑程序，使声束在空间不同方位上进行扫描，从而 显示出组织的图象。
根据振元在 空间上的排列以 及声束的形成方 式，可分为线列 阵、相控阵和方 阵。
T= －YEd E=－(dYE)V/L
E=V/L，P=－T
即：应力T正比于加的电压V
d/g =εT
（3）加压力P，开路（D=0）时，由②式得：
V= －dT(L/εT)=(d /εT)LP = gLP
即：产生电压V正比于加的压力P
（4）加压力P，短路（E=0）时，因D=q/A，由②式得：
换能器技术概述
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
各种工艺（预应力施加、粘接、灌封、装配等）在换能器 制作中是关键一环。某种意义上，“做换能器是个手艺活 儿。”
SL=170.8+10logPa+DI
b.直接决定声信号传播距离和回波信号强度 声源级越大越好吗？混响过大，淹没回波信号、空化腐蚀
（4）发射电压响应级（ Transmitting Voltage Response,单位：dB） a.体现换能器自身的声辐射潜力 b.计算公式： TVR=20log(P.d/V)+120 dB =20log(e.d/V)+120-M dB
fr
1 2
1 M a Ca
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
指向性圆管换能器模态分析结果
指向性圆管换能器流体中有限元模型
声场分布图
用云图表现动态位移分布
模拟静水压环境下壳体应力分布
电导纳曲线
发射电压响应曲线
优点：分析任意结构的换能器 。 结果直观、准确 ，结构优化方便有效 ，工程应用最广泛。
设计换能器必须掌握的几种计算机辅助工具
超声波换能器基本知识
超声波换能器基本知识超声波换能器基本组成：换能器由外壳、匹配层、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出电缆和Cymbal阵列接收器组成。
压电陶瓷圆盘换能器采用厚度方向极化的PZT-5压电材料制成，Cymbal阵列接收器由8～16只Cymbal换能器、两个金属圆环和橡胶垫圈组成。
压电陶瓷圆盘换能器用作基本的超声波换能器，由它发射和接收超声波信号；Cymbal阵列接收器位于圆盘式压电换能器之上，作为超声波接收器，用于接收圆盘换能器频带之外的多普勒回波信号。
本发明的作用距离大于35m，频带宽度达到10kHz，能检测高速移动的远距离目标。
超声波换能器功能结构：超声波换能器，包括外壳(1)、匹配层即声窗(2)、压电陶瓷圆盘换能器(3)、背衬(4)、引出电缆(5)，其特征在于它还包括Cymbal阵列接收器，它由引出电缆(6)、8～16只Cymbal换能器(7)、金属圆环(8)、(9)和橡胶垫圈(10) 组成；Cymbal阵列接收器位于圆盘式压电换能器3之上；压电陶瓷圆盘换能器用作基本的超声波换能器，由它发射和接收超声波信号；Cymbal阵列接收器位于圆盘式压电换能器之上，作为超声波接收器，用于接收圆盘换能器频带之外的多普勒回波信号。
超声波换能器常见问题1、超声波振子受潮，可以用兆欧表检查与换能器相连接的插头，检查绝缘电阻值就可以判断基本情况，一般要求绝缘电阻大于5兆欧以上。
如果达不到这个绝缘电阻值，一般是换能器受潮，可以把换能器整体（不包括喷塑外壳）放进烘箱设定100℃ 左右烘干3小时或者使用电吹风去潮至阻值正常为止。
2、换能器振子打火，陶瓷材料碎裂，可以用肉眼和兆欧表结合检查，一般作为应急处理的措施，可以把个别损坏的振子断开，不会影响到别的振子正常使用。
3、振子脱胶，我们的换能器是采用胶结，螺钉紧固双重保证工艺，在一般情况下会出现这种情况。
4、不锈钢振动面穿孔，一般换能器满负荷使用10年可能会出现振动面穿孔的情况参考网站：。
换能器技术概述
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感谢您的观看。
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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
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◆ 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
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镶拼圆管
非溢流圆管换能器
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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。
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◆ 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
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稀土IV弯张换能器
达到了1.7％
其他：压电聚合物（PVDF)、 压电复合材料等
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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
ngevin
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。
SL=170.8+10logPa+DI b.直接决定声信号传播距离和回波信号强度
声源级越大越好吗？混响过大，淹没回波信号、空化腐蚀
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换能器的工作原理
换能器的工作原理
换能器是一种能将一种形式的能量转换成另一种形式的装置。
在现代科技中，换能器被广泛应用于各种领域，比如声音、电能、
热能等的转换。
换能器的工作原理是基于能量守恒定律和能量转换
的物理原理，通过特定的结构和材料来实现能量的转换。
首先，我们来看声能到电能的转换。
声能到电能的转换是通过
压电效应实现的。
压电效应是指某些晶体在受到外力作用时会产生
电荷分布的变化，从而产生电压。
换能器中使用的压电材料会在声
波作用下产生机械振动，振动会导致晶体内部的正负电荷分布发生
变化，从而产生电压信号。
这样就实现了声能到电能的转换。
其次，电能到声能的转换是通过电磁感应原理实现的。
在换能
器中，电磁感应原理被应用于电能到声能的转换。
当电流通过导线时，会产生磁场，而当磁场与导体相互作用时，会产生力，导致导
体振动，从而产生声音。
这就是电能到声能的转换原理。
此外，换能器还可以实现热能到电能的转换。
热电效应是指在
两种不同温度的导体接触处，由于温差的作用而产生电压。
这种效
应被应用于热能到电能的转换中。
当换能器的一侧受到热能输入时，
另一侧则保持较低温度，由于温差的存在，就会产生电压信号，从而实现热能到电能的转换。
总的来说，换能器的工作原理是基于不同物理效应的应用，通过特定的结构和材料来实现能量的转换。
无论是声能到电能、电能到声能还是热能到电能的转换，都是基于物理原理的工作。
换能器在现代科技中有着广泛的应用，为各种领域的能量转换提供了重要的技术支持。
换能器原理
换能器原理
换能器是一种能够将一种形式的能量转换成另一种形式的装置。
它通过使用物理原理将能量从一个系统转移到另一个系统。
换能器的工作原理主要基于以下几个原理：电-声转换、声-电
转换、磁-电转换、电-热转换等。
首先考虑电-声转换。
在换能器中使用的电-声转换原理是压电
效应。
压电材料由于内部存在电偶极矩，在受到外部机械压力时会产生电荷分离。
当外加电场与压电材料的极化方向一致时，压电材料会发生形变，产生声波。
接下来是声-电转换。
使用声-电转换来实现换能器功能的一个
常用原理是压电效应的逆过程，即压电材料在受到声波作用时会发生振动，形成压电势差。
这个势差可以被外部电路感知并转化为电信号。
磁-电转换是另一种常见的换能器原理。
磁-电转换是利用磁感
应效应。
当一个导体在磁场中运动时，会产生电动势。
这个原理被用来制造感应发电机，将机械能转换成电能，并被广泛应用于发电和能量收集领域。
此外，还有一些换能器原理基于电-热转换。
这些换能器使用
材料的电阻加热效应或热电效应，将电能转换为热能。
这些换能器通常用于加热器，如电热水壶和电吹风等。
综上所述，换能器利用多种物理原理将一种形式的能量转换成
另一种形式。
这些原理包括电-声转换、声-电转换、磁-电转换以及电-热转换。
通过巧妙地设计和应用这些原理，换能器在许多领域中发挥着重要作用，如声学、电子学、能源等。
换能器工作原理
换能器工作原理
换能器是一种能够将一种形式的能量转换为另一种形式的装置。
它的工作原理基于能量转换的基本原理，通过改变能量的形式来实现不同能量间的转换。
在电子领域中，换能器通常指的是能将电能转换为其他形式能量的装置。
其中最常见的是将电能转换为机械能的电动机，以及将机械能转换为电能的发电机。
电动机的工作原理是利用电流在磁场中产生力矩，从而实现旋转运动。
当电流通过电动机的线圈时，会在线圈周围产生一个磁场。
这个磁场与电动机内部的磁场相互作用，产生力矩使电动机开始旋转。
这样，电能就被转换为了机械能，实现了能量的转换。
发电机的工作原理则是相反的过程。
当发电机旋转时，机械能驱动转子转动，同时在线圈和磁场之间产生感应电动势。
这个感应电动势会使电流在线圈中流动，并且产生出电能。
这样，机械能被转换为了电能，实现了能量的转换。
除了电力领域中的换能器，还有许多其他领域中的换能器。
例如，声音换能器能将声能转换为电能，光电池能将光能转换为电能，热电换能器能将热能转换为电能等等。
这些换能器都利用不同的物理原理实现能量的转换，从而在各个领域中发挥着重要的作用。
总之，换能器通过改变能量的形式，实现了不同形式能量之间
的转换。
无论是电能转换为机械能的电动机，还是机械能转换为电能的发电机，都是以能量转换的基本原理为基础实现的。
这些换能器在各个领域中都发挥着重要的作用。
换能器
换能器就是进行能量转换的器件，是将一种形式的能量转换为另一种形式的能量装置。
在声学研究领域，换能器主要是指电声转换器，它能实现电能和声能之间的相互转换。
值得指出的是，这里所说的电声换能器的含义比电学领域中的扬声器和传感器等所谓的电声换能器的含义要广的多。
目前，从大到像整栋楼房的水生换能器基阵。
到小至可以深入血管的小探针式换能器，各式各样声学换能器的应用已经使声学技术深入到科学研究和工程技术的各个领域。
例如，超声加工、超声清洗、超声探测、检测、监测、遥控、遥感、超声马达、超声焊接、交通监测、机器人成像信息采集。
国际上对其研究十分活跃，尤其是在压电驱动器和超声治疗方面有所突破。
近年来，我国在压电换能器的研制、应用和开发方面越来越重视，并且取得了一定的成绩，有些研究成果与国外已很接近，甚至处于先进水平。
压电超声换能器是以压电材料为核心部分的换能器件，在超声领域，压电超声换能器是应用最为广泛的一种声电转换元件，压电超声换能器是通过各种具有压电效应的电介质，如石英、压电陶瓷、压电复合材料和压电薄膜等，将电信号转换成声信号，或将声信号转换成电信号，从而实现能量的转换，其优点在于以下几个方面[3,4]：第一、在高频范围，压电超声换能器能够产生一个类似于刚性活塞的均匀振动发生器，而其他的换能器，如用于低频振动的电动扬声器等，是很难做到这一点的。
第二、结构简单，易于激励。
当经过极化以后的压电陶瓷元件被用于换能器以后，换能器的激励将不再需要极化电源，从而简化了压电换能器的激励电路。
其他类型的换能器，如磁致伸缩换能器等，由于需要一个直流极化电源，而使换能器的激励变得复杂。
第三、压电换能器易于成型加工，因而可用于许多不同的应用场合。
压电陶瓷材料是目前压电超声换能器中最常用的压电材料，其优点包括[5]：第一、机电转换效率高，一般可达到80%左右；第二、容易成型，可以加工成各种形状，如圆盘、圆环、圆筒、圆柱、矩形以及球形等；第三、通过改变成分可以得到具有各种不同性能的超声换能器，如发射型接受型以及收发两用型等；第四、造价低廉，性能稳定，易于大规模生产和推广应用。
一文读懂换能器
一文读懂换能器换能器的英文名称是transducer，用于实现不同形式的能量相互转换的仪器或器件可以通称为换能器。
例如：电能与声能转换、电能与磁能转换、电能与机械能转挨、电能与光能转换、电能与化学能转换、电能与热能转换等等，在水声领域中常把声呐换能器、水声换能器、电声换能器统称换能器。
水声换能器水声换能器是完成水下电声信号转换的器件，它是电子设备与水下信号声场间相互联系的纽带。
鉴定一部水声仪器性能的好坏，往往是首先看它的换能器性能如何。
水声换能器的分类按工作形式可分为发射换能器和接收换能器；按结构形式可分为球形换能器、圆管换能器、弯曲圆盘换能器、复合棒换能器、镶拼圆环换能器、弯张换能器、矢量水听器和光纤水听器等等；按电场性换能材料可分为压电单晶、压电陶瓷（如钛酸钡、PZT）、压电薄膜（如PVDF）、压电复合材料（如1-3压电复合材料）和弛豫型铁电单晶等等；按磁场性的换能材料可分为电动式、电磁式、磁致伸缩式、铁磁流体和超磁致伸缩稀土材料等等；其他：带有匹配层的换能器、电火花声源、MEMS水听器阵列和带有反声障板的声基阵。
声波是迄今为止人类所掌握的唯一能在海洋中远距离传递信息与传播能量的载体，由此水声换能器也被人们形象的比喻为声纳系统的“耳目”。
随着水声技术应用领域的不断拓展与延伸，在海洋资源探测开发的技术竞争、军事对抗及全面感知地球的迫切需求背景下，水声换能器技术的飞速发展成为声纳技术发展的重要前提。
水声换能器技术包含新材料、新原理、新结构和新工艺！材料技术：有源材料（压电材料和磁致伸缩材料），无源材料（吸声、反声、透声、去耦和结构）；设计技术：理论、结构和匹配设计；制作技术：加工、装配和灌封。
不同工作频率的水声换能器的应用水声换能器基阵在潜艇上的应用水声换能器的使命即是在一定频带内按规定的信号形式激发产生声波和不失真地感知与接收水中声波信号，由此换能器也被人们形象地喻为声纳系统的“耳目”。
随着水声技术应用领域的不断拓展与延伸，在海洋资源探测开发的技术竞争、军事对抗及全面感知地球的迫切需求背景下，水声换能器技术的飞速发展成为声纳技术发展的重要前提，新材料技术、精细加工技术、基础工艺技术以及数值计算分析技术等为换能器技术的快速发展提供了物质基础和技术条件。
换能器的工作原理
换能器的工作原理
换能器是一种能够将电能和磁能相互转换的装置。
其工作原理基于法拉第电磁感应定律和楞次定律。
换能器通常由两个线圈组成，一个是输入线圈，又称为初级线圈，通过输入电流产生磁场；另一个是输出线圈，也称为次级线圈，通过磁场感应产生电势。
当输入线圈通有交流电流时，它会产生一个交变的磁场。
根据法拉第电磁感应定律，在输出线圈中会感应出电势。
这是因为磁场的变化会引起次级线圈中的电子运动，从而产生电压。
换能器中的铁芯通常由具有高导磁性的材料制成，它可以集中磁场并增强感应效果。
换能器还可以实现从电能到磁能的转换。
当输入线圈通有直流电流时，根据楞次定律，磁场的变化会产生感应电流，从而将电能转化为磁场能。
这种方式常见于电动机，其中输入线圈通直流电流，产生的磁场驱动电动机转动。
需要注意的是，换能器的工作原理与变压器不同。
变压器主要用于改变交流电的电压，而换能器不仅可以改变电压，还可以实现电能和磁能之间的相互转换。
总之，换能器是一种利用电磁感应原理将电能和磁能相互转换的装置。
它通过电流在线圈中产生的磁场感应出电势，或者通过磁场在线圈中引起的电流变化将电能转化为磁场能。
这种装置在各种电子设备和电力系统中广泛应用。
一文读懂换能器
一文读懂换能器文| 传感器技术（WW_CGQJS）换能器的英文名称是transducer，用于实现不同形式的能量相互转换的仪器或器件可以通称为换能器。
例如：电能与声能转换、电能与磁能转换、电能与机械能转挨、电能与光能转换、电能与化学能转换、电能与热能转换等等，在水声领域中常把声呐换能器、水声换能器、电声换能器统称换能器。
水声换能器水声换能器是完成水下电声信号转换的器件，它是电子设备与水下信号声场间相互联系的纽带。
鉴定一部水声仪器性能的好坏，往往是首先看它的换能器性能如何。
水声换能器的分类按工作形式可分为发射换能器和接收换能器；按结构形式可分为球形换能器、圆管换能器、弯曲圆盘换能器、复合棒换能器、镶拼圆环换能器、弯张换能器、矢量水听器和光纤水听器等等；按电场性换能材料可分为压电单晶、压电陶瓷（如钛酸钡、PZT）、压电薄膜（如PVDF）、压电复合材料（如1-3压电复合材料）和弛豫型铁电单晶等等；按磁场性的换能材料可分为电动式、电磁式、磁致伸缩式、铁磁流体和超磁致伸缩稀土材料等等；其他：带有匹配层的换能器、电火花声源、MEMS水听器阵列和带有反声障板的声基阵。
声波是迄今为止人类所掌握的唯一能在海洋中远距离传递信息与传播能量的载体，由此水声换能器也被人们形象的比喻为声纳系统的“耳目”。
随着水声技术应用领域的不断拓展与延伸，在海洋资源探测开发的技术竞争、军事对抗及全面感知地球的迫切需求背景下，水声换能器技术的飞速发展成为声纳技术发展的重要前提。
水声换能器技术包含新材料、新原理、新结构和新工艺！材料技术：有源材料（压电材料和磁致伸缩材料），无源材料（吸声、反声、透声、去耦和结构）；设计技术：理论、结构和匹配设计；制作技术：加工、装配和灌封。
不同工作频率的水声换能器的应用水声换能器基阵在潜艇上的应用水声换能器的使命即是在一定频带内按规定的信号形式激发产生声波和不失真地感知与接收水中声波信号，由此换能器也被人们形象地喻为声纳系统的“耳目”。
换能器工作原理
换能器工作原理
换能器工作原理是指将一种形式的能量转化为另一种形式的过程。
换能器通常由两部分组成：输入端和输出端。
输入端接收一种能量形式，并通过一系列的物理过程将其转化为另一种能量形式，然后在输出端释放出来。
常见的换能器包括光电转换器、声电转换器、热电转换器等。
以下以光电转换器为例来说明换能器的工作原理。
光电转换器是将光能转化为电能的装置。
它由一个光敏元件和一个电路组成。
光敏元件通常是一块半导体材料，例如硅或硒化镉等。
当光照射到光敏元件上时，光的能量被半导体吸收，并导致电子在材料内产生电荷。
这个过程被称为光电效应。
接下来，这些电荷在电路中形成电流。
电路会将这个电流进行处理，例如放大、滤波等，最后转化为所需的电能输出。
换能器的输出电能可以是直流电、交流电、脉冲信号等，具体取决于应用需求。
换能器的工作原理基于能量转化的物理原理，通过选择合适的材料和设计合理的电路，将一种形式的能量转化为另一种形式，从而实现能量的有效利用。
换能器在许多领域都有广泛的应用，例如太阳能电池板、音频设备中的麦克风等。
换能器考点
概念题：1．换能器：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装换的装置，就称为电声换能器，简称换能器。
2．等效电路法：将换能器看为做机械振动的弹性体，依据波动理论可以得到它的机械振动方程，根据电路的规律可以得到电路状态方程，根据压电方程和机电类比可以建立换能器的机电等效图，换能器的工作特性和参数就可以通过机电等效图来求得。
（优点：物理意义明确，缺点：通常是一维分析，适用于简单结构）3．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差值函数来近似描述。
这样就将实际的物理问题转化成求解单元节点状态的代数方程组问题。
（优点：分析任意结构的换能器；结果直观准确；工作状态仿真；应用广泛）4．居里点：压电陶瓷的性能随温度变化，温度超过某一温度时压电性能会完全消失。
5．自发形变：在压电陶瓷的晶格结构中，晶胞的大小形状与温度相关，t>Tc(居里温度)，立方晶胞；t<Tc，c 边增大，a、b 边缩小，菱方晶胞，由于这种变化时温度变化时晶胞自发产生形变，因此称为自发形变。
6．自发极化：在居里温度Tc 以下，晶胞发生自发形变的同时，又自发产生电矩，电矩的方向是沿着边长增大的方向，就是自发极化。
7．电畴：在发生自发极化时，晶体内会出现一些小区域，每个区域内部的晶胞极化方向相同，相邻的区域极化方向不同，这种自发极化方向一致的区域成为电畴。
8．极化强度：单位体积内电矩的矢量和。
9．去极化状态：压电陶瓷内部包含许多电畴，极化方向杂乱无章，沿空间各方向均匀分布，因此电矩的矢量和为零，即极化强度为零，这种状态被称作去极化状态。
10．极化系数x：极化强度P 与电场强度E 之间的比值，是一个表征材料介电性能的物理量。
11．介电系数ε：介电系数是电位移D 与电场强度E 的比值。
12．倒介电系数：电场强度E 与电位移D 的比值。
(完整版)水声换能器的基础知识
水声换能器基础知识地球表面积的71%是海洋，海洋里蕴藏着丰富的生物和矿物质资源，是人类今后生存和发展的第二个空间。
而声纳这一水下探测设备则是人类开发海洋的重要帮手，更是海军和民用航海事业不可缺少的组成部分。
声纳设备的功能，就是收听水下有用信号并把它转变为电信号以供视听；或者自身产生一个电信号再转变为声信号在水介质中传播，遇到目标后反射回来再进行接收，转变为电信号供收听或观察，由此来判断被测物体的方位和距离。
在这个水下电声信号的转换过程中，关键设备就是水声换能器或是换能器阵。
1. 水声换能器的应用目前，水声换能器已经普遍地应用到工业、农业、国防、交通和医疗等许多领域。
这里仅介绍几种在水下探测方面的应用：（1）在测深方面的应用：为保证航行安全，无论是军舰或是民船都要安装测深声纳；专门的航道检测船只都配备精度高、功能齐全的测深仪。
根据测深深度的不同，测深换能器的频率和功率也相差甚远。
以频率范围在10kHz~200kHz的较多，功率从数瓦到数十千瓦不等，其中，高频小功率用于内河或浅海，低频大功率用于远洋、大深度。
对这类换能器的要求是波束稳定、主波束尖锐。
（2）在定位和测距方面的应用：测量航船对地的航行速度，大多采用多普勒声纳，利用四个性能相同的换能器分别排列与龙骨相垂直的左右舷方向上。
一般工作频率在100kHz~500kHz。
（3）在海洋考察和海底地层勘探方面的应用：海底地质调查主要采用低频大孔径声纳。
拖曳式声纳是当今装在活动载体上最大尺寸的声学基阵，作用距离也最远。
水中成像方面，通常采用高频旁视声纳，在船底左右舷对称地沿龙骨平行方向装两个直线基阵，各自向海底发射扇形指向性声束，然后接收来自海底的反射波，由于海底凹凸不平反射波强度有别，在显示图像上就会出现亮度不同的图像，因为工作频率较高，声信号衰减较快，作用距离不远，现在试验的频率范围为数十千赫到500千赫。
2. 水声换能器的分类换能器按照不同的机电能量转换原理可以分为电动式、电磁式、磁致伸缩式、静电式、压电式和电致伸缩式等。
换能器的正确使用方法
换能器的正确使用方法换能器作为一种重要的电子设备，广泛应用于工业、农业、医疗等领域。
它可以将一种形式的能量转化为另一种形式的能量，起到了至关重要的作用。
然而，由于一些误解和错误的使用方法，换能器的效果未能得到最大化的发挥。
因此，在使用换能器时，我们应该注意以下几点。
第一，了解换能器的原理和特点。
换能器是一种能量转换器件，可将一种能量形式转化为另一种能量形式。
其中最常见的是电能转换为声能或者机械能。
不同种类的换能器具有不同的特点和应用范围，因此在选择和使用时需要了解其原理和特点，以确保选择适合的换能器。
第二，正确连接和固定。
换能器通常有输入和输出端，输入端接收输入信号，输出端输出转换后的信号。
在连接换能器时，应确保输入和输出端正确连接。
同时，为了保证换能器的正常工作，需要正确固定换能器，避免在使用过程中出现移动或者摇晃。
第三，合理控制输入信号的强度和频率。
换能器的转换效率和输出信号质量与输入信号的强度和频率密切相关。
在使用换能器时，应根据需求合理控制输入信号的强度和频率，以获得最佳的转换效果。
过高或过低的输入信号可能会导致换能器无法正常工作或者输出信号质量不佳。
第四，保持换能器的清洁和维护。
由于换能器通常在恶劣的工作环境中使用，如高温、湿润或者含有腐蚀性物质的环境，因此在使用过程中需要保持换能器的清洁和维护。
定期清洗和检查换能器，防止灰尘、污垢等附着物影响转换效果。
第五，避免过度使用。
换能器虽然具有很强的能量转换能力，但长时间的连续使用可能会对换能器造成不可逆的损坏。
因此，在使用换能器时，应合理安排使用时间和周期，避免过度使用，以延长换能器的使用寿命。
第六，及时修理和更换。
如果发现换能器在使用过程中出现异常或者损坏，应及时进行修理或更换。
不可忽视或拖延，以免导致更大的损失。
通过合理的使用方法和维护，我们可以最大化地发挥换能器的作用，并延长其使用寿命。
同时，也可以提高工作效率，减少故障和事故的发生。
第4章 换能器
13
原电池和电解池
14
电化学电池 正极、负极
正极（Positive electrode）：
电势高的极称为正极，电流从正极流向负极。在
原电池中正极是阴极；在电解池中正极是阳极。 负极（Negative electrode ）： 电势低的极称为负极，电子从负极流向正极。在 原电池中负极是阳极；在电解池中负极是阴极。
可以采用标准氢电极(SHE)，也可以采用作为二级标准电 极的银-氯化银电极和甘汞电极。
例2：电池反应： H2 + Cu2+
电池符号：
2H+ + Cu
(-) Pt，H2(105Pa)∣H+ (lmol · -1) ∣ ∣ Cu2+ (lmol · -1)∣Cu(s) (+) L L 界面 界面 c1 盐桥 c2 界面
37
能斯特方程
对于任意反应： aA+bB = dD+eE
电池的电动势为：
RT [D]d [E]e EE ln a b nF [A] [B]
此方程即能斯特方程。 当T=298 K时，能斯特方程为：
0.0592 [D]d [E]e E E lg a b n [A] [B]
θ (Cu2+/Cu)=0.342V
所以 氧化性 Cu2+ >Zn2+ 还原性 Zn > Cu
32
θ无加和性
一些电对的 θ与介质的酸碱性有关, 因此有酸Aθ
表和碱Bθ表之分。
33
氧 化 型 的 氧 化 性 增 强
氧化型 +ne 2+ Zn + 2eFe2 + + 2e2+ Ni + 2e 2H
换能器绪论
图 1.3 电动式换能器示意图图 1.4Helmholtz 换能器示意图 除此上文所介绍的换能器以外还有其他结构形式的换能器如开缝圆管换能 器、空气动力型换能器、组合式换能器等。
类型 复合棒换能器 弯张换能器 圆管换能器 电动式换能器 Helmholtz 换能器 工作频率 5kHz-100kHz 200Hz-5kHz 1kHz-100kHz 5Hz-10kHz 200Hz-1kHz 带宽 1-2 个倍频程 不易形成宽带 1-2 个倍频程 超宽带 1 个倍频程 声源级 高 较高 较高 低 高 指向性 好 基本无指向性 水平无指向性 基本无指向性 基本无指向性
表 1.1 不同性能换能器性能对比
换能器按其工作方式可分为发射换能器和接收水听器。目前， 发射换能器的 发展趋势是：低频、大功率、宽带、深水、小体积。而接收水听器的发展趋势则 是:矢量接收、高灵敏度、微型化。对于发射换能器而言，要想更加有效的探测 水下目标尤其是安静型隐身目标，其发射功率要尽可能的增大，谐振频率要尽可 能的降低，频带宽度要尽可能的拓宽，体积与质量要尽可能的减小，探测的深度 要尽可能的增加。目前，实现宽带的机理主要有：利用多模态耦合、改善激励方 式、 增加匹配层等。 实现低频结构的方法主要有： 利用低频模态、 利用液腔谐振、 采用电动（磁）式等。然而，在几何尺寸小前提下，要实现上述要求的发射换能 器的方法却十分有限。而溢流式圆环换能器则是实现上述要求的一种有效方法。
1.2 换能器的分类与应用
换能器按结构可以分为复合棒换能器（朗之万换能器、换能器） 、弯张换能 器、圆管换能器、电动式换能器、换能器等。 复合棒换能器后盖板采用重金属，前盖板采用轻金属，这样可以获取较高的 前后振速比。前盖板呈喇叭形，可增加辐射面积，调节值。预应力螺栓施加预应 力，可实现大功率输出。 弯张换能器主要有七种类型，其中型弯张换能器是最为常见的一种。弯张换 能器具有频率低、 大功率、 尺寸小、 重量轻等特点。 其主要应用于低频主动声呐、 各种低频水声实验。
换能器参数
换能器参数引言换能器是一种用于将一种形式的能量转换为另一种形式的装置。
它在许多领域应用广泛，如医学、能源以及机械工程等。
本文将深入讨论换能器的参数，包括其定义、分类、重要性、选择和调整等方面。
换能器参数的定义换能器参数是指影响换能器性能的各种量化指标。
通过调整这些参数，可以改变换能器的工作方式、效率和输出特性。
换能器参数的分类换能器参数可以按照不同的标准进行分类。
以下是两种常见的分类方法：1. 按照换能器工作原理分类根据换能器的工作原理，可以将其参数分为以下几类：(1) 电学参数包括电容、电阻、电感等参数。
这些参数直接影响换能器的电路特性和信号传递效率。
(2) 声学参数包括声速、频率响应、灵敏度等参数。
这些参数描述了换能器对声波的敏感程度和响应能力。
(3) 热学参数包括温度稳定性、热导率、热膨胀系数等参数。
这些参数与换能器的热效应和热传导特性密切相关。
2. 按照换能器类型分类根据换能器的类型和应用场景，可以将其参数分为以下几类：(1) 医学影像换能器参数包括频率范围、分辨率、深度探测、阻抗匹配等参数。
这些参数用于评估医学影像换能器的成像质量和临床应用能力。
(2) 能源转换换能器参数包括效率、输出功率、响应时间等参数。
这些参数衡量了能源转换换能器的能量转化效率和动态响应速度。
换能器参数的重要性换能器参数对于换能器的性能和应用非常重要。
以下是几个重要性的例子：1. 影响工作效率换能器参数的调整可以显著影响换能器的工作效率。
例如，在医学影像领域，一个高灵敏度的声学换能器可以提供更清晰的图像，而一个高效率的能源转换换能器可以将输入能源最大化转化为输出能源。
2. 决定适用场景不同参数的换能器适用于不同的场景。
例如，在医学影像领域，超声波换能器的频率范围和分辨率对于不同的应用有不同的要求。
只有了解和选择合适的参数，才能使换能器在特定场景下发挥最佳效果。
3. 影响系统集成换能器通常是一个系统的一部分，其参数与其他组件的参数之间需要匹配和协调。
换能器参数
换能器参数
换能器是现代电子技术中一种重要的电子元器件，其作用是将一种形式的能量转换为另一种形式的能量，通常包括电能、声能、磁能、热能等等。
不同类型的换能器参数也会因不同的应用场景而有所不同。
1. 传感器参数：许多换能器被用作传感器，将某个物理量转换为电信号。
传感器参数包括量程、精度、线性度、重复性等。
量程是指传感器可以测量的最大或最小物理量值，精度是指系统的准确性，表示测量结果与真实值之间的误差，通常以百分数形式表示。
线性度是指输出信号与输入信号之间的关系是直线关系的程度，重复性是指连续几次测量的结果的差异。
2. 晶体管参数：换能器中的晶体管参数包括放大系数、输出电阻、失真度等。
放大系数是指输入信号与输出信号的比例系数，输出电阻是指输出信号在负载上的电阻，失真度是指输出信号与输入信号之间的畸变程度。
3. 声波参数：换能器中的声波参数包括频率、灵敏度、输出电平等。
频率是指正、负半周时间的周期，转换能力与频率密切相关。
灵敏度是指输入声信号大小与通过换能器的输出电压的关系。
输出电平是指换能器的输出电压值，通常以分贝（dB）为单位表达。
4. 磁感应强度参数：磁感应强度参数包括输出电压、线性范围、灵敏度等。
输出电压是指磁信号输出的电压大小，线性范围是指磁信号能够被正确测量的最大
范围，灵敏度是指单位磁通量密度产生的输出电压值。
总之，换能器的参数是决定其应用效果和性能的重要因素。
在选择一款换能器时，需要根据实际需求和应用场景来综合考虑上述参数，以确保换能器的正常工作。
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概念题：1．换能器：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装换的装置，就称为电声换能器，简称换能器。
2．等效电路法：将换能器看为做机械振动的弹性体，依据波动理论可以得到它的机械振动方程，根据电路的规律可以得到电路状态方程，根据压电方程和机电类比可以建立换能器的机电等效图，换能器的工作特性和参数就可以通过机电等效图来求得。
（优点：物理意义明确，缺点：通常是一维分析，适用于简单结构）3．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差值函数来近似描述。
这样就将实际的物理问题转化成求解单元节点状态的代数方程组问题。
（优点：分析任意结构的换能器；结果直观准确；工作状态仿真；应用广泛）4．居里点：压电陶瓷的性能随温度变化，温度超过某一温度时压电性能会完全消失。
5．自发形变：在压电陶瓷的晶格结构中，晶胞的大小形状与温度相关，t>Tc(居里温度)，立方晶胞；t<Tc，c边增大，a、b边缩小，菱方晶胞，由于这种变化时温度变化时晶胞自发产生形变，因此称为自发形变。
6．自发极化：在居里温度Tc以下，晶胞发生自发形变的同时，又自发产生电矩，电矩的方向是沿着边长增大的方向，就是自发极化。
7．电畴：在发生自发极化时，晶体内会出现一些小区域，每个区域内部的晶胞极化方向相同，相邻的区域极化方向不同，这种自发极化方向一致的区域成为电畴。
8．极化强度：单位体积内电矩的矢量和。
9．去极化状态：压电陶瓷内部包含许多电畴，极化方向杂乱无章，沿空间各方向均匀分布，因此电矩的矢量和为零，即极化强度为零，这种状态被称作去极化状态。
10．极化系数x：极化强度P与电场强度E之间的比值，是一个表征材料介电性能的物理量。
11．介电系数ε：介电系数是电位移D与电场强度E的比值。
12．倒介电系数：电场强度E与电位移D的比值。
13．正压电效应：压电陶瓷在受到外力作用时，除产生形变和内部产生应力外，还会产生极化强度和电位移，而且产生的极化强度和点位移与应变和应力成正比。
14．反向压电效应：压电陶瓷在受到电场作用时，除产生极化强度和点位移外，还会发生形变和内部产生应力，而且产生的应变和应力与极化强度和电位移成正比。
15．压电陶瓷的点位移在量值上等于电极面上自由电荷的面密度。
16．纵振动复合棒换能器：纵振动复合棒换能器也称夹心式换能器，是一种常用的大功率换能器，它以较小的重量获得大的能量密度，广泛应用于水声和超声领域。
17．发射换能器性能指标：（1）工作频率：依声呐方程确定；发射换能器通常工作在谐振频率上，可以获得大功率和高效率。
（2）频带宽度：在换能器的发射响应曲线上低于最大响应3db的两个频率差定义为换能器的-3db频带宽度，简称带宽。
（3）机械品质因数Qm=f0/delta f=f0/(f2-f1),谐振频率f0与带宽delta f的比值（4）指向性：换能器或基阵的发射响应或接收灵敏度的幅值随方位角变化而变化的一种特征（远场）。
（5）阻抗特性（辐射阻越大越好）（6）发射响应（发射灵敏度）：换能器或基阵在指定方向上，距其等效声中心1米远处所产生的球面波自由场声压与其输入端电学量之比。
（7）声源级：在声场中指定方向上，距发射器等效声中心1米远处，所产生的球面波自由场声压对应平面行波的声强级（远场）。
（8）辐射声功率：描述发射器在单位时间内向水介质中辐射能量多少的物理量（近场）。
（直接影响声纳的作用距离；随工作频率变化，谐振时最大；受到额定电压电流、机械强度和空化条件的限制）（9）发射效率（10）机电耦合系数：（机电耦合系数是在理想状态下定义的，在理想状态下未转换的能量不是损耗掉，而是以弹性方式或介电方式储存起来。
）无损耗、无负载的压电振子在机械谐振时储存的机械能与储存的全部能量之比的平方根。
18．接收换能器的性能指标：接收灵敏度：（1）畸变系数r（伽马）：当接收器放入声场后，声波会在接受器表面发生衍射，实际作用在接收器表面的声压Pr与入射波声压Pf（自由场声压）之比。
（2）自由场电压灵敏度：换能器输出端的开路电压eoc与放入换能器前的放置换能器处自由场声压的比值。
（3）自由场电流灵敏度：换能器输出的短路电流与Pf的比值。
等效噪声声压：（1）自噪声：压电陶瓷在一定的温度下内部分子热运动产生的噪声。
（2）等效噪声声压：设有一正弦波入射到水听器上，输出电压的有效值等于水听器自噪声在1Hz带宽上的均方根电压值，则入射电压的有效值称为等效噪声电压。
19．全开角：主瓣幅度降至0所夹的开角。
20．波束宽度：主瓣幅度降至0.707所夹的开角，用2θ-3db表示。
21．指向性因数：在声轴上，某一远场处的声强与同距离各方向的平均声强比。
Rθ=I0/I 平均= P0*P0/P*P平均其物理意义为：一个有指向性的发射器，在主波束方向上，其远场中某距离处的声强比同等功率下的无指向性发射器在同一点处产生的声强大Rθ倍。
22．指向性指数：DI=10lgRθ=lgI0/I平均=10P0*P0/P*P平均=20lgP0/P平均23．乘积定理：具有指向性的基元组成的基阵，其指向性函数是基元本身的指向性函数与点源组成基阵的指向性函数的乘积。
简答题：1．声呐方程中有哪些参数与换能器有关？SL、DI、DT主动声纳方程：SL-2TL+TS-(NL-DIi)=DTSL=170.8+10lg(Pa)+DIT被动声纳方程：SL-TL-(NL-DIi)=DT2．等效电路法、有限元法、边界元法的优缺点？等效电路法：优点：物理意义明确，缺点：通常是一维分析，适用于简单结构有限元法：优点：分析任意结构的换能器；结果直观准确；工作状态仿真；应用广泛边界元法：优点：边界划分单元，问题降一维，缺点：不能模拟复杂结构的换能器内部的精细结构和复杂振动。
3．换能器的发展趋势？发射：低频、大功率、宽带、深水、小尺寸接收：矢量接收、高灵敏度、微型化4．请说出几种常用的换能器？电动式换能器、电磁式换能器、磁致伸缩式换能器、压电换能器5．说出几种常用的换能器基阵线列阵、平面阵、圆柱阵、球形阵、参量阵、乘积阵、合成孔径阵、恒定束宽阵、舷侧阵、共形阵、拖曳线列阵6．PZT压电陶瓷的优点、分类锆钛酸铅（PZT）Pb(ZrxTi1-x)O3优点：1、压电性能优异；2、居里点高，300到400度，温度稳定性好；3、机械强度大4、化学惰性；5、制作方便；6、可改变化学组分，添加杂质，适合各种需要分类：1、PZT4（发射型）：低机械损耗和介电损耗，大的交流退极化场、介电常数、机电耦合系数、压电常数，适合强电场、大振幅激励作用发射。
2、PZT5（接收型）：高耦合系数、压力应变常数，优异的时间稳定性。
3、PZT8（大功率发射型）：高抗张强度和稳定性，高机械Q值，适合大振幅激励发射。
7．钙钛矿结构特点与各离子在晶胞之中的位置分子式ABO3形式，A是二价正离子(Pb2+、Ba2+)，B是四价正离子(Tr4+、Zr4+)，相应的离子在晶胞中的位置也相同，A位于六面体八个顶点上，B位于六面体中心，O2-位于六个面的面心。
8．晶胞常数有哪些？通常用晶胞的三个边长a、b、c和三边夹角α、β、γ来描述晶胞的大小和形状，称为晶胞常数。
9．在极化过程中，电畴有哪些变化？在极化过程中，电畴有转动过程：在电场作用下，电畴的自发极化方向向接近电场的方向转动，电畴还有壁移过程：在电场作用下，畴壁移动，引起极化方向与电场方向相同或接近的电畴体积增大，相反的体积缩小。
10．画出电滞回线，标出剩余极化强度和矫顽电场11．说明介质损耗的原因，写出复介电系数表达式介质损耗原因：1、交变电场使压电陶瓷反复极化，部分电能被转换成热能而损耗；2、漏电流；3、材料不均匀复介电系数：ε33=ε’33-jε’’3312．说出形变与应变、内力与应力的区别应力是单位面积的内力，与自身面积有关，与内力不同；应变是单位长度的形变量，与形变有区别13．为什么去极化状态下的压电陶瓷没有压电效应，极化后的压电陶瓷具有压电效应？（1）去极化状态下：1、受到外力作用：内部电畴的自发极化方向沿空间各方向均匀分布，宏观极化强度为0A．受到拉力时，材料受力方向伸长，晶胞也伸长，电矩转向与受力方向垂直的方向，部分转向正向，部分转向反向B．受压力时，材料受力方向缩短，晶胞也发生形变，电矩转向与受力方向垂直的方向，部分转向正向，部分转向反向去极化状态受到外力时，极化强度为0，不能产生正向压电效应。
2、受到电场作用：在压电陶瓷上加一电场，晶胞自发极化方向将向电场方向转动，则电场方向的边长伸长，其余两边缩短，若加反向电场，同样电场方向的边会伸长，其形变是一致的。
因此在去极化状态下，应变与电场强度成二次方关系，通常称为电致伸缩效应，而没有压电效应。
（2）极化后（Z轴方向极化）：1、受到外力作用：极化后，压电陶瓷内部存在剩余极化强度，可以认为其内部电畴的自发极化均匀的分布在半球面上。
A.施加Z轴方向的拉力，材料变形，内部电畴方向转向Z轴方向，使极化强度增加B.施加Z轴方向的拉力，材料变形，内部电畴方向转向垂直Z轴方向，使极化强度减小极化强度与应变成正比，因此压电陶瓷在极化后存在正向压电效应。
2、受到电场作用：A.施加Z轴方向正电场，极化强度增加，内部电畴方向转向Z轴方向，使材料伸长。
B.施加Z轴方向负电场，极化强度减小，内部电畴方向转向垂直Z轴方向，使材料缩短。
应变与电场强度成正比，因此压电陶瓷在极化后存在反向压电效应。
14．压电陶瓷的短路、开路、自由和截止状态各代表什么含义？短路E=0 开路D=0 自由T=0 截止S=015．短路和开路状态下应力与应变的关系，自由与截止状态下电位移与电场强度的关系如何表示？短路E=0 {T}=[cE]{S} {S}=[sE]{T}开路D=0 {T}=[cD]{s} {S}=[sD]{T}自由T=0 {D}=[εT]{E} {E}=[βT]{D}截止S=0 {D}=[εS]{E} {E}=[βS]{D}16．换能器的阻包含哪几种？介质损耗、机械损耗、辐射阻、17．发射电压响应、声源级、辐射声功率的定义及区别1、发射电压响应：换能器或基阵在指定方向上（即声轴方向），距其等效声中心1米远处所产生的球面波自由场声压与其输入端电压之比Sv=P(1)/V，发送电压响应级：Svl=20lgSv/Sv0=20lgSv+1202、声源级：在声场中指定方向上，距其等效声中心1米远处所产生的球面波自由场声压对应平面行波的声强级。
SL=10lgI(1)/Iref=20lgP(1)/Pref Pref=1uPa3、辐射声功率：描述发射器在单位时间内向水介质中辐射能量多少的物理量（是换能器近场特性，就是振动面的特性，而SL和Sv是远场特性，指向性也是远场特性）18．纵振动复合棒换能器的结构特点：1、为了得到大的前后盖板振速比，前盖板采用轻金属（硬铝、铝镁合金），后盖板采用重金属（钢、黄铜），根据动量守恒定律，节点两边动量相等，振速与质量成反比。