《换能器技术》PPT课件
7-8课时换能器34页PPT
医 用超声诊断 仪
五、 医用超声诊断换能器基本结构 换能器基本结构一般分三类
基本 单元 换能 器
基本 多元 换能 器
基本 聚焦 换能 器
医 用超声诊断 仪
单元压电换能器
主体部为功能部分
接收人体的 发射超声波
超声回波
作用于人体
外壳就是换 能器与超声 仪器主机连 接部分
医用B型的换能器为收发合一，发射超声能 量在 20mw/cm2 以下
一、换能器的功能
医 用超声诊断 仪
超声成像首先是要产生超声波信号和 接收超声波信号，完成这个任务的器 件就是超声换能器，常称为超声探头 （简称探头）。
医 用超声诊断 仪
将高频电能转换成 机械振荡的超声波 声能，形成超声场
向人体被测部位定 向辐射，同时又将 被测部位产生的各 种反射和散射回波 声能转变成可检测 的电能信号。
在超声波 诊断仪中 激励脉冲 的频率必 须与探头 的固有频 率相同。
医 用超声诊断 仪
压电振子的的等效电路
压电 振子
被覆激励电 极的压电体
可逆的机电换能系统
正压效应和逆压效应
电路
机械
两个系统组成的机电耦合系统
以压电振子的等效电路来分析处理力、声、电 综合系统变为简单化，所以压电振子的的等效 电路是设计制造超声换能器的主要方法。
诊断超声换能器既是超声诊断仪器的电/ 声转换的超声波发射传感器件，是声/电 转换的超声波接收传感器件
医 用超声诊断 仪
双 发射超声波
向
功
能
接收超声波
声、电 可逆变 换器件
是 医用超声诊断仪成像的重要部件
医 用超声诊断 仪
二、压电效应
1880 年法国物理学家居里兄弟将砝码分别放在 石英等晶体上，用静电计测量这些晶体表面， 发现晶体表面电荷与所加砝码的重量成正比。 居里兄弟进行试验又证明存在逆压电效应。
《换能器技术》PPT课件
ppt课件
17
UW350
UW600
SL:平均165dB 频带：20Hz-20kHz 重量：100kg 耐压：188m
SL:（max）188dB 频带：4Hz-20kHz 重量：1070kg 耐压：200m
ppt课件
18
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
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。
ppt课件
14
◆ Helmholtz换能器
11
fr 2 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
两款常用的设计换能器有限元软件
ppt课件
24
指向性圆管换能器有限元模型
弯张换能器1/8有限元模型
指向性圆管换能器模态分析结果
ppt课件
25
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
ppt课件
26
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。
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
ppt课件
12
◆ 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。
换能器原理介绍
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电声换能器系统组成电声换能器主要性能电声换能器分类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传声器、扬声器、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。
即可用作声接收器也可用作声发射器。
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超声波能量衰减的因素、检测目标（如缺陷）对超声波的反射特性、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
[课件]医用超声换能器PPT
![[课件]医用超声换能器PPT](https://img.taocdn.com/s3/m/c2d153f226fff705cd170a13.png)
第一节
一、压电效应
1. 正向压电效应
压电换能器
++++++
------
材料两端加压力→两电极产生电场 压力 →形变→晶格电偶极矩变化→电荷积累→电场 2. 逆向压电效应
++++++
-----材料两端加电压→材料产生形变 电压→电场→晶格电偶极受力→应力→形变 材料正、逆向压电效应可逆
L=λ/2
时，压电体内传播时间
t = L/c = (λ/2)/c = (cT/2)/c = T/2
即：到达对面时，与相移180o的对面振动叠加，达到同 频同相叠加，辐射超声最强，即为谐振情况。对应频率
f = c/λ= c/2L
称基本谐振频率，或基频。
前向
超声
表面位移
０ T/2 T
L
压电体
c, f
超声
（3）组成
环氧树脂 + 钨粉 + 橡胶粉
空气背衬，几乎全反射，效率最高，用于超声治疗仪。
3．匹配层
（1）作用 ① 使晶体辐射的超声有效进入人体，实现对人体组 织的检查。换能器和人体之间声阻抗匹配，条件：
Z Z Z , l ( 2 n 1 ) ／ 4 匹 匹 匹 晶 皮
② 增加换能器的带宽 ③ 隔开晶体和人体，保护晶体，免受机械、化学 损坏；保护人体，免受激励电压的伤害。
t
后向
T/2 T 3T/2 t ０ 收缩 膨胀 收缩
一般地，基频或更高频率在压电体内传播从一个 表面到达对面所用时间为： t = L／c = (2n-1)T2n-1 ／2 (n=1,2,…) 即： L= (2n-1)λ2n-1 ／2 或： f2n-1 = 1／T2n-1 = (2n-1)c／2L 时，都能达到谐振。 f1—基频， f 3，f5，f7…—高次谐振频率， f1L＝c／2——材料的频率常数
《部分超声换能器》课件
1
小型化设计
微型超声换能器采用小型化设计，适用于体积有限的医疗和工业设备。
2
快速响应
微型超声换能器响应速度快，适用于高速成像和检测任务。
3
医学应用
微型超声换能器被应用于内窥镜、微创手术和移动医疗设备等领域。
《部分超声换能器》PPT 课件
这份《部分超声换能器》PPT课件将带你深入了解超声换能器的各个方面， 从介绍超声换能器的原理和应用，到讨论不同类型的超声换能器，以及它们 在各个领域的应用场景。
超声换能器介绍
超声换能器是一种将电能转化为超声波能量的装置。它在医学、工业和科学研究中扮演着重要角色，可以用于 成像、测量、检测和治疗等领域。
环形超声换能器具有较高的灵敏度和辐射范围，适用于大范围的成像和检测任务。
2 医学应用
环形超声换能器广泛应用于医学成像领域，如超声脑电图和乳腺超声等。
3 工业应用
环形超声换能器也被用于工业检测和材料分析等领域。
线性阵列超声换能器
线性阵列超声换能器由多个压电元件组成，可实现多通道成像和检测。
多通道成像
线性阵列超声换能器的多通道设 计可同时获取多个声束的信号， 从而实现高分辨率成像。
医学应用
线性阵列超声换能器被广泛应用 于医学诊断中，如超声心脏图和 超声肾脏图等。
工业应用
线性阵列超声换能器也被应用于 工业无损检测和材料分析等领域。
二维阵列超声换能器
二维阵列超声换能器由多行多列的压电元件组成，可实现三维成像和检测。
原理
应用
Innovations
超声波是通过压电材料产生的， 当施加电压时，压电材料会振动， 从而产生超声波。
超声换能器广泛应用于医疗成像、 非破坏检测、气体流量测量等领 域。
超声波发声器和换能器简介PPT课件
可编辑课件
12
发生器与换能器的匹配
超声波发生器与换能器匹配包括两个方面：
• 一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功 率，这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输 出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成最佳负 载，也即阻抗变换作用。
• 二是通过匹配使发生器输出效率最高，这是由于 换能器有静电抗的原因，造成工作频率上的输出 电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不 到期望的最大输出，使发生器输出效率降低，因 此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使 发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。
超声波发生器
超声波发生器实质上是一个功 率发生器，它产生一定频率的正弦 信号，通过电缆联结线传导给换能 器，换能器再将超声波发生器提供 的电信号转换为机械振动。
可编辑课件
1
• 超声波发生器是一种用于产生并向超声换 能器提供超声能量使之工作于谐振频率的 装置，根据其激励方式可分为两种：一种 是他激式，一种是自激式。
可编辑课件
13
感谢亲观看此幻灯片，此课件部分内容来源于网络， 如有侵权请及时联系我们删除，谢谢配合！
可编辑课件
9
电路设计是设计中重要的一部分，发生 器逆变电源部分的电路以及主电路开关器 件的选择不同，需要有不同的逆变器主电 路、驱动电路、采样电路、启动电路、保 护电路的具体设计方案应该具有如下功能：
1 良好的匹配电路，能保证发生器提供给换 能器足够的电功率，并使电功率最有效率 的转换为声能。
2 频率自适应功能。因为换能器自身的机械 谐振频率对负载改变、发热以及其它外界 影响较为敏感，它们的变化会引起换能器 谐振频率变化，导致系统的振动失谐、振 幅降低。
可编辑课件
11
3 功率自适应功能。在工作过程中，隶望输 出功率能自动随着负载的变化而变化，比 较理想的状态是发生器的输出电压一定， 输出功率在空载时最小，当负载增加时输 出功率也随之增加，这样有利于超声设备 的工作，这可以通过分析超声换能器的负 载特性，选择合适的谐振频率点来实现； 另外也可以采用斩波电路，通过改变开关 管的占空比来控制输入到逆变电路的电压， 使占空比随着负载变大而变大，输出功率 便能保持恒定，当发生故障时还可将开关 管关闭。
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转换的装置，称为电声换能器，简称换能器。
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。
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，用作发射。
PZT5(接收型)：高耦合系数、压电应变常数，优异的时间稳定性。
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。
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，四角晶胞(菱方晶胞)由于这种变化是温度变化时，晶胞自发产生的，因此称自发形变。
由于压电陶瓷具有钙钛矿结构ABO3t＞Tc(居里温度)，立方晶胞中正负离子的对称中心重合，不呈电性；t＜Tc，晶格变为四角晶胞，晶胞中正负离子的对称中心不再重合，产生电矩。
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。
四角晶胞：电矩方向是c轴方向；菱方晶胞：电矩方向是菱方体的对角线方向。
极化强度：单位体积内电矩的矢量和。
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0，即极化强度为0。
这种状态，被称为去极化状态压电效应1．正向压电效应——压电陶瓷在受到外力作用时，除发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电位移与应变和应力成正比。
2.反向压电效应——压电陶瓷在受到电场作用时，除产生极化强度和电位移外，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。
压电陶瓷的电位移在量值上等于电极面上自由电荷的面密度带宽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.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的变化而变化的一种特性.发射响应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辐射声功率描述发射器在单位时间内向水中介质中辐射能量多少的物理量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.有效机电耦合系数等效电路法换能器看为做机械振动的弹性体,依据波动理论可以得到他的机械振动方程;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求得复合棒换能器主要结构特点1为了得到大的前后盖板振速比,前盖板采用轻金属(硬铝,硬镁合金)后盖板重金属(钢,黄铜)2前盖板设计成喇叭形_降低Q值3压电片数目为偶数,相邻两片极化方向相反,并联连接4金属节板位于振动的节点上,用于固定换能器5用金属螺杆施加预应力,可以增加功率极限接收灵敏度1畸变系数当接受器放入声场后声波会在接收器表面发生衍射,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)的关系Pr=ｒPf (ｒ畸变系数)2种类自由场电压(电流)灵敏度声压灵敏的电压(电流) 3自由场电压灵敏度换能器输出端的开路电压eoc与放入换能器前置换能器处的自由场声压Pf的比值Me=eoc/Pf自噪声压电陶瓷在一定温度下内部分子的热运动产生的噪声(宽频噪声)自噪声的大小决定了水听器能够测量的有用信号的最小值.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上自噪声在1Hz 带宽上的均方根电压值,则入射声压的有效值称为等效噪声声压.指向性的技术指标主瓣指向性图中,中间波束具有最大声压,也称主波束旁瓣主波束两侧的波束称为旁瓣或次波束全开角主瓣幅度降为零所夹的开角波束宽度主瓣幅度降至0.707所夹的开角最大旁瓣级个数少使功率集中在主瓣,提高作用距离,便于判定目标方位.幅度小接收时,可以减少从旁瓣接收到的干扰信号和噪声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之比. 由于指向性因数是反映辐射能量集中程度的又称聚集系数物理意义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无指向性发射器在同一点处产生的声强大Rθ倍指向性指数DI=10logRθ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应用要求使用乘积定理时基阵的指向性函数参考方向必须与阵中各基元的参考方向一致.。
第二部分超声换能器ppt课件
– 处在工作状态下的压电体，其力学边界条件 可以有机械自由与机械夹紧两种情况，而电 学边界条件则有电学短路和电学开路两种情 况，根据不同的边界条件，选择不同的自变 量与因变量，介电损耗
电介质晶体突然受到电场作用时，极化强度并 不是一下子就达到最终值，即极化是一种弛豫 现象（极化弛豫）。
如果介质受交变电场作用，而交变频率又比较 高，就会使极化追随不及时而发生滞后，从而 引起了所谓的介质损耗，并使动态介电常数与 静态介电常数发生差异。
– 供给电介质的能量有一部分消耗在强迫固有电矩的 转动上并转变为热能而被消耗掉，
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
压电效应
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
压电陶瓷
压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。
材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴, 它有一定的极化方向, 从 而存在电场。
在无外电场作用时, 电畴在晶体中杂乱分布, 它们的极化效应被相 互抵消, 压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性, 不具有压电性质
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。
换能器技术ppt课件
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。
10
◆ 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
11
稀土IV弯张换能器
新型弯张换能器
六元弯张换能器线阵
逆向压电效应
磁致伸缩效应
压电陶瓷
稀土材料
4
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
圆柱阵
拖曳线列阵
球形阵
5
共形阵
10
9
48
9
495
几种常见发射换能器
几种常见水听器
7
B.按功能材料分
最早的 换能材 料，磁 致伸缩
镍 压电单晶
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
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-D）
弛豫铁电单晶
（PMN－PT 和PZN—PT ）
如石英，1917 年，朗之万制 成第一个实用
换能器
1950s，机电转 换效率高，工作 温度宽，至今仍 是主力功能材料
第二章 常用压电陶瓷发射换能器
电流响应基准值
6．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。
I (1) p(1) SL 10 log 20 log I ref pref pref 1Pa
声源级与发射电压响应级对比
dθ dz a
dθ 2 dθ
T1 P
在圆管上取微元
微元厚度为t，高度为dz，平均弧长 a d 则应力T1沿r方向的分量为
T1
d 2T1 sin T1d 2
圆管的外表面有负载，单位面积作用力为P，微元密度为 ，沿r方向的加速度为 2u r ，依据牛 2 t 顿第二定律，圆管的径向振动方程为 体积为
电压响应基准值
( S v ) 0 1Pa / V 106 Pa / V
发射电流响应级
Si SiL 20 log 20 log Si 20 log(Si ) 0 ( Si ) 0 20 log Si 120 ( Si ) 0 1Pa / A 106 Pa / A
效图求得。
机械端等效图 机电等效图 电端等效图 换能器参数
第三节 压电圆管的径向振动
极化方式
径向极化 振动模式
厚度极化
切向极化
径向极化压电陶瓷圆管
内半径r1，外半径r2，平均半径 a=(r1+r2)/2 高度为h，厚度为 t=r2-r1 要求：薄壁、短圆管。目的是为了减少耦合，使位移一致。 a>>t a>h
将其代入波动方程
波动方程两边对r在r1→r2区间积分，再乘以 2ah
r2 2hd31 r2 1 2ah r2 2 E3dr 2ah( E 2 )ur dr p dr E r1 r1 s11 r1 s11a t
常用压电陶瓷发射换能器98页PPT
21、没有人陪你走一辈子，所以你要 适应孤 独，没 有人会 帮你一 辈子， 所以你 要奋斗 一生。 22、当眼泪流尽的时候，留下的应该 是坚强 。 23、要改变命运，首先改变自己。
24、勇气很有理由被当作人类德性之 首，因 为这种 德性保 证了所 有其余 的德性 。--温 斯顿． 丘吉尔 。 25、梯子的梯阶从来不是用来搁脚的 ，它只 是让人 们的脚 放上一 段时间 ，以便 让别一 只脚能 够再往 上登。
谢谢！
51、 天 下 之 事 常成 于困约 ，而败 于奢靡 。——陆 游 52、 生 命 不 等 于是呼 吸，生 命是活 动。——卢 梭
53、 伟 大 的 事 业，需 要决心 ，能力 ，组织 和责任 感。 ——易 卜 生 54、 唯 书 籍 不 朽。——乔 特
55、 为 中 华 之 崛起而 读书
换能器原理介绍
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电声换能器系统组成电声换能器主要性能电声换能器分类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传声器、扬声器、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。
即可用作声接收器也可用作声发射器。
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超声波能量衰减的因素、检测目标（如缺陷）对超声波的反射特性、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。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
可编辑课件
◆ 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。
UW600
SL:（max）188dB 频带：4Hz-20kHz 重量：1070kg 耐压：200m
可编辑课件
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：
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
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
可编辑课件
4.水声换能器的分类
A. 按照工作方式分
六元弯张换能器线阵
பைடு நூலகம்
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
可编辑课件
◆ 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
可编辑课件
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。
尤其适合制作低频、大功率、宽带水声换 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-D）
弛豫铁电单晶
（PMN－PT 和PZN—PT ）
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，
可编辑课件
◆ 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
可编辑课件
UW350
SL:平均165dB 频带：20Hz-20kHz 重量：100kg 耐压：188m
可编辑课件
◆ Helmholtz换能器
11
fr 2 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
可编辑课件
Multiport Helmhotz transducer Janus Helmhotz transducer
换能器等效电路图
可编辑课件
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。
可编辑课件
达到了1.7％
其他：压电聚合物（PVDF)、 压电复合材料等
可编辑课件
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。
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。
可编辑课件
不同类型换能器性能对比
可编辑课件
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。
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
可编辑课件
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，
可编辑课件
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。
可编辑课件
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
可编辑课件
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。
可编辑课件
◆ 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
可编辑课件
稀土IV弯张换能器
新型弯张换能器
绪论——水声换能器分类、应用及分析设计方法 桑永杰
可编辑课件
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。
正向压电效应
逆向压电效应
磁致伸缩效应
压电陶瓷
可编辑课件
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
圆柱阵
拖曳线列阵
可编辑课件
球形阵 共形阵