换能器原理介绍

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电声换能器

电声转换器是把声能转换成电能或电能转换成声能的器件，电声工程中的传声器、扬声器和耳机是最典型的电能、声能之间相互变换的器些器件统称为电声换能器。

目录

电声换能器分类

o广义的电声应用的频率范围很宽，包括次声、可听声、超声换能器。属于可听声频率范围内的电声换能器有、、送受话器、助听器等等。按照换能方

式，它们又可以分成电动式、静电式、压电式、电磁式、碳粒式、离子式和

调制气流式等。其中后三种是不可逆的，碳粒式只能把声能变成电能，离子

式和调制气流式的只能产生声能。而其他类型换能器则是可逆的。即可用作

声也可用作声发射器。

电声换能器系统组成

o各种电声换能器，尽管其类型、功用或工作状态不同，它们都包含两个基本组成部分，即电系统和机械振动系统。在换能器内部，电系统和机械振动系

统之间通过某种物理效应相互联系，以完成能量的转换；在其外部，换能

器的电系统与信号发生器的输出回路，或前级放大器的输入回路相匹配；

而换能器的机械振动系统，以其振动表面与声场相匹配。

电声换能器它包括三个互相联系的子系统。

1.以辐射或接受声波的振动板为中心的机械一声系统。

2.起电一声两种能量之间相互变换作用的能量变换系统。

3.担任电信号输入、输出的电学系统。

这三个子系统的复合系统之间的能量关系是非常复杂的，是互相联系密不可分的。这三种体系是互相牵制的，处理得不好往往会顾此失彼。例如，一个有效的磁系统可能会非常笨重，变成一种令人不能接受的声障碍物；

或者声输入阻抗或电输出阻抗的数值，可能根本不能与周围媒质或附属设备相匹配。由此可见，电声换能器的设计总是在许多相互矛盾的因素中采取折衷的办法。

电声换能器主要性能

o 1.换能器的工作频率

换能器工作频率的设计依据涉及传声媒质对能量衰减的因素、检测目标（如缺陷）对超声波的特性、传声媒质的本底噪声以及辐射阻抗等等。决定换能器工作频率的影响因素有很多，如激励用电信号的频率、换能器的组装结构设计、工作原理的应用范围与限制条件、换能元件自身的材料物理特性等

等。换能器的许多重要性能，如指向性、发射声、接收灵敏度以及声场特性等都直接受其工作频率的影响。因此，在确定或选择工作频率时必须兼顾各方面的因素予以综合考虑。就一般而言，发射换能器在其谐振基频上工作时可获得最佳的工作状态，即能获得最大的电声转换效率和发射声功率。同

样，在此条件下，作为接收换能器也能获得最佳的频率响应和接收灵敏度。

2.换能器响应（灵敏度）

这是指换能器（或整个仪器系统）输出端的特定量与输入端的另一特定量之比值，通常有以下几种具体性能：

[1]接收电压灵敏度（又称接收电压响应，自由场电压灵敏度）：

接收换能器输出端的开路电压与声场中引入换能器前存在于换能器声中心位置处自由场声压之比。常用单位有伏特/微巴（V/μ）、伏/帕（V/Pa）和分贝（）。

这里所谓的自由场是指均匀各向同性媒质中可以忽略边界影响时的声场。有效声中心是指在发生器上或附近的一点，从远处观察时似乎声波是从该点发出的球面发散声波，即声源直径很小以至可以近似地把它看作点声源。在给出换能器自由场电压灵敏度时，一般还应同时指明参考点，指定方向和输出端。

若是接收换能器输出端阻抗无限大时，则此时的接收电压灵敏度就称为开路灵敏度（或称开路响应）。

就所用单位而言，“伏特/微巴”意味着作用在换能器上的声压为1微巴（1μbar==1达因/厘米2）时在换能器输出端负载上可得到1伏特的电压，显然此值越大，则接收灵敏度越高，因为换句话来说，就是一定的声压作用能得到较大的开路电压。

在用分贝（dB）表示时：△dB=20lgM0（V/μbar）/1（V/μbar）

这是以1V/μbar为零分贝（参考点灵敏度），将观测到的灵敏度除以参考点灵敏度所得到的商再取以10为底的对数并乘以20，从而得到用分贝表示的自由场电压灵敏度。

[2]接收灵敏度（接收电流响应，自由场电流灵敏度）：

接收换能器输出端的短路电流与声场中引入换能器前存在于换能器声中心位置处自由场声压之比。常用单位有安培/微巴（A/μbar），安培/帕

（A/Pa）和分贝（dB）。

[3]声压灵敏度（声压响应）：

接收换能器输出端开路电压与换能器接收面上实际声压之比，单位为伏特/帕（V/Pa）。注意该参数与[1]是不同的。

[4]发送电压灵敏度（发送电压响应）：

这是用于发射换能器的性能，它指在某频率下，在指定方向上，离开发射换能器有效声中心1米处的表观声压与施加在发射换能器输入端上的信号电压之比，单位为帕/伏特（Pa/V），故此参数和[1]相反。

[5]发送电流灵敏度（发送电流响应）：

这也是用于发射换能器的，它指在某频率下，在指定方向上，离开发射换能器有效声中心1米处的表观声压与施加在发射换能器输入端上的信号电流之比，单位为帕/安培（Pa/A）。

[6]发送功率响应：

在指定方向上离开发射换能器有效声中心1米处的表观均方声压与发射换能器输入功率之比，单位为平方帕（）。

[7]发送效率：

发射换能器的总输出声功率与输入电功率之比。在考虑输入电功率时，一般不计入为固定偏压或励磁用的电功率。注意此参数与换能效率密切相关。[8]频率响应：

理想换能器的频率响应特性要求输出电压与声压成正比而与声波频率无关，这主要是用于接收换能器的性能，与频带范围有关。

3.频带宽度△f

对换能器而言时，是指换能器发送响应或接收灵敏度响应的曲线上低于最大响应3分贝时两个频率之差，称为换能器的频带宽度△f（-3dB），如图所示：

在图中，f0为最大响应时的频率，而频带宽度则为：△f=f2-

换能器的频带宽度△f与换能器机械品质因素Qm和最大响应频率f0（机械共振频率）有关，他们三者的关系为：Qm=f0/△f

4.品质因素Q

这是对单自由度的机械或电学系统共振尖锐度或频率选择性的度量，有机械品质因素Qm和电学品质因素Qe两类。特别要指出，机械品质因素Qm是换能器谐振特性、频带宽度或阻尼的一个量度，尤其是阻尼对换能器的工作状态有非常密切的关系。Qm对换能器产生的波形和接收时的响应曲线等有着重要的影响。机械品质因素Qm的定义为：

Qm=ω0M/Rm=π/δ≈f0/△f