换能器知识点

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

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)=DT

SL=170.8+10lg(Pa)+DIT

被动声纳方程：SL-TL-(NL-DIi)=DT

2．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