水声换能器的基础知识
一种水声通信换能器的设计
一种水声通信换能器的设计
水声通信换能器是一种将电信号转化为水声信号或将水声信号转化为电信号的装置。
以下是一种水声通信换能器的设计。
1. 设计外壳：外壳应选择耐水、易于浸泡的材料，如聚氯乙烯（PVC）或水下用的不锈钢等。
外壳应具有良好的密封性能，以防止水进入内部零件。
2. 核心元件：换能器的核心元件是压电陶瓷晶体，可以将电信号转化为机械振动或将机械振动转化为电信号。
压电陶瓷晶体应选择具有良好压电性能的材料，如压电陶瓷材料PZT-5H。
3. 电路设计：电路设计应包括电源电路、信号放大电路和滤波电路。
电源电路用于提供稳定的电压或电流供给压电陶瓷晶体，信号放大电路用于放大输入输出信号的幅度，滤波电路用于过滤掉不需要的频率成分。
4. 防喷涌电路：为了避免喷涌电流对电子元件的损坏，应设计一个防喷涌电路。
该电路可以通过添加电阻、电容或稳压器等元件来限制电流的变化。
5. 调节装置：为了适应不同的水下环境，换能器应设计一个可调节的装置。
可以通过调节压电陶瓷晶体的振动特性来改变水声信号的频率、振幅或相位。
6. 输出端口：换能器的输出端口应设计成标准连接器，以便与其他设备进行连接。
常见的输出端口有水声电缆接头或XLR
接口。
7. 测试和校准：在量产之前，应对水声通信换能器进行测试和校准。
测试可以包括频率响应测试、灵敏度测试和防水性能测试等。
需要注意的是，以上是一种基本的水声通信换能器设计，实际应用中还需根据具体需求进行进一步的优化和调整。
第二章声学测量换能器
数称为换能器的电导纳。
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动态范围 水听器的过载声压级与等效噪声声压级之差
水听器的过载声压级
引起水听器过载的作用声压级 水听器的等效噪声压
水听器主轴方向入射的正弦平面行波使水听器产生的开路电压
等于水听器实际输出的带宽1Hz的开路噪声电压时，则该声波的
声压级就是水听器的等效噪声声压级
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(3)GB/T4128-1995
指向性 自由场灵 敏度频率 响应
灵敏度
一、二级标准水听器声学 性能指标要求
灵敏度校准 及其准确度
稳定性 动态范围
back
灵敏度
• 指在水听器输出电缆末端测得的声压灵敏度或自由场低频灵敏度。
• 按照国家标准规定用于1Hz~100kHz频率范围的压电型标准水听 器（以下同）：
灵敏度校准及其准确度
• 低频段应用国标GB4130-84中规定的一级校准方法进行 校准，其校准准确度优于±0.5dB；高频段应用国标 GB3223-82中规定的互易法进行校准，其校准准确度应 优于±0.7dB。
• 低频段应用国标GB4130-84中规定的二级校准方法进行 校准，其校准准确度优于±1.0dB；高频段应用国标 GB3223-82中规定的比较法进行校准，其校准准确度应 优于±1.5dB。
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（2）参数
灵敏度
指向性
频率响应
有效频 率范围
输出 阻抗
动态 范围
back
传声器的灵敏度：
*声场灵敏度
—平面自由声场灵敏度
—扩散声场灵敏度
*声压灵敏度
传声器平面自由声场灵敏度 是指在给定频率的正弦声波 激励下，传声器的开路输出 电压与传声器放入声场以前 传声器中心位置上平面自由 声场声压之比
水声换能器及基阵 - 绪论
利用低声速、大应变功能材料：Terfenol-D
Material properties
Terfenol-D
Young's modulus（GPa）
30
Maximum strain（106 ）
1500-2000
Energy Density（ J / m3 ）
14000-25000
Wave speed（m/s）
能量所携带的信息（频率、幅度、相位等）重现.
Input electric signal
Output acoustic signal
Vice versa! Transducer is reciprocal.
水声换能器
Projector/transducer/transmitter (Electric signal → Acoustic signal)
ka 1
High power
Broadband
如何解决这些矛盾？从增加振动位移、辐射阻上入手
利用弯张换能器的位移放大效应
Displacement amplification effect of flextensional transducer
lever
压电堆在长轴方向上的振动位移，通过杠杆效应，在椭圆壳短轴方向放大了数倍
Inverse piezoelectric effect
������ = ������������3
������������3 = ������
1 2
������������������
2
=
������������
Voltage→electric field→strain→displacement→vibration in water→sound radiation
(完整版)第2章水声换能器
①水听器接收灵敏度水听器自由场电压灵敏度：
水听器在平面自由声场中输出端的开路电压与声场中放入水听器之前存在于水听器声中心位置处自由场声压的比值。
水听器声压灵敏度：水听器输出端的开路电压与作用于水听器接收面上的实际声压的比值。②水听器的指向性
低频段应用国标GB4130-84中规定的二级校准方法进行校准，其校准准确度优于±1.0dB；高频段应用国标GB3223-82中规定的比较法进行校准，其校准准确度应优于±1.5dB。
指向性
一级：水平指向性：在最高使用频率下的-3dB波束宽度应大于300，在选定方向（或主轴）±50的范围内灵敏度变化应小于±0.2dB。
其他技术要求
机械性能要求：
•水听器暴露于水中的所有金属和非金属部件都要采用耐腐蚀材料制作。
•水听器的参考声中心位置及测量方向要有明显标志。
•水听器相对于它的周围媒质应是声学刚性的。
电学性能要求：
•对于不带前放的水听器，在电缆端测得的绝缘电阻应大于100MΩ（测试电压不小于100V）。
•高阻抗的敏感元件应有电屏蔽。
第2章水声换能器1.水听器2.水声发射换能器3.实验
1.水听器
(1)分类根据其用途和校准的准确度根据其使用材料
根据其用途和校准的准确度分为两级：
A.一级标准水听器建立水声声压基准，并通过它传递声学量单位。绝对法校准。
B.二级标准水听器（测量水听器）用作实验室中一般测试。比较法校准。
根据其使用材料可分为：a、压电式：b、动圈式（或电动式）c、磁致伸缩式d、光纤式
稳定性
时间稳定性：
每年校准一次，其变化应在校准准确度以内。
温度稳定性：
水声换能器
一、1-3-2型复合材料矩形线列换能器阵(1) 矩形线列换能器阵结构利用1-3-2型复合材料阵元组成的矩形线列换能器阵结构见图1，该线列阵由四片矩形1-3-2复合材料阵元构成，阵元沿直线紧密排列。
四个1-3-2型复合材料阵元的外形尺寸、内部结构完全相同，均为25mm×25mm×5mm的矩形薄片，内部结构的每个周期中陶瓷柱截面为0.84mm×0.84mm，环氧树脂宽为0.43mm，陶瓷基底厚为0.5mm。
1-3-2型复合材料矩形线列换能器阵的其它辅助部件包括换能器外壳、背衬、解耦材料、聚氨酯、电极引线和电缆等。
其中外壳材料选用金属黄铜，形状为上部敞口的长方体空盒，外形尺寸为114mm×33mm×15mm，四面侧壁厚度为2mm，底座厚6mm，其中开有83mm×4mm×3mm 的走线槽。
另外，底座中心还有一直径3mm的通孔，用于同轴电缆穿过。
外壳的作用主要是定位阵元，承受压力和抗腐蚀等。
设计中采用硬质泡沫塑料作为换能器的背衬和边条，背衬和边条厚度均为2mm，复合材料阵元通过环氧粘接剂粘在背衬上，背衬具有反声、绝缘的作用；每个阵元四周由硬质泡沫边条将阵元之问、阵元与外壳之间隔离，目的是解耦和绝缘。
另外，背衬和边条还起到定位复合材料阵元的作用。
换能器阵元上表面，即换能器辐射面被覆有2mm厚的聚氨酯匹配层，用于防水、透声。
图1矩形线列换能器阵结构(2) 矩形平面阵结构图2矩形平面阵结构(a)整体结构(b) 剖面结构(c) 外壳结构(3) 圆柱形换能器(b)图3圆柱形换能器参考附件中李莉的毕业论文112-128页二、平面水听器及双激励加匹配层换能器（非压电复合材料）参考杭州应用声学所三、tonpliz型水声换能器（非压电复合材料）参考西北工业大学四、低旁瓣水声换能器参考中国海洋大学五、侧扫声纳系统结构图参考中科院声学所。
(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。
(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。
水声换能器
一、1-3-2型复合材料矩形线列换能器阵(1) 矩形线列换能器阵结构利用1-3-2型复合材料阵元组成的矩形线列换能器阵结构见图1，该线列阵由四片矩形1-3-2复合材料阵元构成，阵元沿直线紧密排列。
四个1-3-2型复合材料阵元的外形尺寸、内部结构完全相同，均为25mm×25mm×5mm的矩形薄片，内部结构的每个周期中陶瓷柱截面为0.84mm×0.84mm，环氧树脂宽为0.43mm，陶瓷基底厚为0.5mm。
1-3-2型复合材料矩形线列换能器阵的其它辅助部件包括换能器外壳、背衬、解耦材料、聚氨酯、电极引线和电缆等。
其中外壳材料选用金属黄铜，形状为上部敞口的长方体空盒，外形尺寸为114mm×33mm×15mm，四面侧壁厚度为2mm，底座厚6mm，其中开有83mm×4mm×3mm 的走线槽。
另外，底座中心还有一直径3mm的通孔，用于同轴电缆穿过。
外壳的作用主要是定位阵元，承受压力和抗腐蚀等。
设计中采用硬质泡沫塑料作为换能器的背衬和边条，背衬和边条厚度均为2mm，复合材料阵元通过环氧粘接剂粘在背衬上，背衬具有反声、绝缘的作用；每个阵元四周由硬质泡沫边条将阵元之问、阵元与外壳之间隔离，目的是解耦和绝缘。
另外，背衬和边条还起到定位复合材料阵元的作用。
换能器阵元上表面，即换能器辐射面被覆有2mm厚的聚氨酯匹配层，用于防水、透声。
图1矩形线列换能器阵结构(2) 矩形平面阵结构图2矩形平面阵结构(a)整体结构(b) 剖面结构(c) 外壳结构(3) 圆柱形换能器(b)图3圆柱形换能器参考附件中李莉的毕业论文112-128页二、平面水听器及双激励加匹配层换能器（非压电复合材料）参考杭州应用声学所三、tonpliz型水声换能器（非压电复合材料）参考西北工业大学四、低旁瓣水声换能器参考中国海洋大学五、侧扫声纳系统结构图参考中科院声学所。
测量用水声换能器-精品文档
②标准水听器每年应经计量部门检定一次。
③检查水听器的绝缘电阻时，试验电压不小于100v。 ④注意存放环境，用完后妥善保管。 ⑤选用低分布电容电缆。
2.水声发射换能器
（1）分类
同水听器。
（2）发射器介绍
（3）参数：
① 发射换能器发送响应
② 发射换能器指向性 ③ 发射换能器电阻抗 ④ 输入电功率、发射声功率和电声效率
一、二级标准水听器声学性能指标
灵敏度
• 指在水听器输出电缆末端测得的声压灵敏 度或自由场低频灵敏度。 • 按照国家标准规定用于1Hz~100kHz频率 范围的压电型标准水听器（以下同）： • 一级： 不低于-205dB(0dB re 1v /μ Pa) • 二级： 不低于-210dB（0dB re1v/μ Pa）
灵敏度校准及其准确度
• 低频段应用国标GB4130-84中规定的一级校准方法进 行校准，其校准准确度优于±0.5dB；高频段应用国标 GB3223-82中规定的互易法进行校准，其校准准确度 应优于±0.7dB。
• 低频段应用国标GB4130-84中规定的二级校准方法进 行校准，其校准准确度优于±1.0dB；高频段应用国标 GB3223-82中规定的比较法进行校准，其校准准确度 应优于±1.5dB。
在参考方向上（通常指声轴向）远场中某点的声强（或声
压有效值平方）与相同距离上各方向的声强平均值（或声压有
效值平方的平均值）之比为发射指向性因数，此比值的分贝数 称为发射指向性指数。
输入电功率、发射声功率和电声效率
指向性
一级：
水平指向性：在最高使用频率下的-3dB波束宽度应大于300，在 选定方向（或主轴）±50的范围内灵敏度变化应小于±0.2dB。 垂直指向性：在最高使用频率下的-3dB波束宽度应大于150，在
水声换能器测量规程
水声换能器测量规程全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：水声换能器是一种用于测量水下声音并将其转换为电信号的设备，常用于海洋科学研究、水声通信、海洋资源勘探等领域。
水声换能器的测量精度直接影响到数据的准确性和可靠性，在进行水声换能器的测量过程中需要严格遵守一定的规程，以确保测量结果的准确性。
本文将介绍一份关于水声换能器测量规程的具体内容，希望能够帮助读者了解水声换能器测量的主要步骤和注意事项。
一、测量前的准备1. 确定测量的目的和测量范围，明确需要测量的参数和技术要求。
2. 准备好水声换能器以及相关的测量设备和配件，确保设备能够正常工作。
3. 对测量地点进行认真的现场勘测，了解水声环境、水声传播特性等相关信息。
4. 对测量人员进行培训，确保他们熟悉水声换能器的使用方法和操作规程。
二、测量过程的实施2. 将水声换能器置于需要测量的位置，调节传感器的方向和角度，确保能够准确接收水下声音信号。
3. 开始进行测量，记录下测量开始时间和测量参数等相关信息。
4. 在测量过程中要及时调整水声换能器的位置和参数，确保测量数据的准确性。
5. 测量结束后，停止测量并记录下测量结束时间，保存测量数据并进行分析。
三、测量结果的处理和分析1. 对测量数据进行处理和分析，计算出所需的参数和结果。
2. 对测量结果进行比对和验证，确保结果与实际情况一致。
3. 将测量结果进行归档和备份，以备日后查看和参考。
四、注意事项和安全措施1. 在进行测量时要注意保护水声换能器和相关设备，避免碰撞和损坏。
2. 在测量地点要注意安全，避免发生意外和事故。
3. 在测量过程中要保持仪器的稳定性，避免数据误差。
4. 在遇到问题和困难时要及时与专业人员沟通，寻求帮助和解决方案。
水声换能器测量规程是保证测量准确性和可靠性的重要措施，只有严格遵守规程，才能够得到准确的测量结果。
希望本文能够对读者在进行水声换能器测量时有所帮助，提高测量工作的效率和质量。
【2007字】第二篇示例：水声换能器是一种将水中的声波信号转换为电信号的装置，广泛应用于海洋科学研究、海洋勘测、水声通信等领域。
水声换能器基础 滕舵
水声换能器基础滕舵以水声换能器基础为题，我们来探讨一下水声换能器的相关知识和应用。
水声换能器是一种能够将水中的声能转化为电能的装置。
它的工作原理是利用压电效应或磁电效应，将水中的声波信号转化为电信号，从而实现声音的传输和检测。
水声换能器在海洋工程、水声通信、声纳探测等领域有着广泛的应用。
水声换能器的基本结构包括压电材料或磁电材料、电极、负载电阻等组成。
其中，压电材料是通过应力作用产生电荷，而磁电材料则是通过磁场的改变产生电荷。
当水声波传入水声换能器时，压电材料或磁电材料会产生相应的电荷，从而生成电信号。
常见的水声换能器有压电式和磁电式两种。
压电式水声换能器主要由压电材料和电极组成，其工作原理是利用压电材料在受到声波作用时会产生电荷的特性。
磁电式水声换能器则是利用磁电材料的磁场改变产生电荷，从而实现声波到电信号的转换。
水声换能器在海洋工程中有着重要的应用。
海洋工程中需要进行海底地形测量、海洋生物探测等任务，而水声换能器可以作为声纳设备的核心部件，用于接收和发送声波信号。
通过测量声波信号的回波时间和幅度，可以获取海洋中的地形信息和生物信息。
水声换能器在水声通信中也起到了关键的作用。
水声通信是一种在水下进行信息交流的技术，其特点是传输距离远、传输速率低。
水声换能器可以将电信号转化为声波信号，通过水中的传播来实现通信。
在海洋探测、水下导航等领域，水声通信被广泛应用。
水声换能器还可以用于声纳探测。
声纳是一种利用声波在水中传播和反射的原理，来获取目标信息的技术。
水声换能器作为声纳系统的核心部件，可以接收到目标返回的声波信号，通过信号处理来获取目标的位置、形状等信息。
总结起来，水声换能器是一种能够将水中的声能转化为电能的装置。
它在海洋工程、水声通信、声纳探测等领域有着重要的应用。
通过水声换能器，我们可以实现海底地形测量、水下通信、目标探测等任务，为海洋科学和工程提供了重要的技术支持。
第二章 声学测量换能器 - 哈尔滨工程大学水声工程学院声学
●扩散场频率响应：当传声器的扩散场灵敏度与频率之间
的关系，以传声器扩散场灵敏度频率响应曲线来表示
back
有效频率范围：某一传声器它的实际频响曲线与典型频
响曲线相比，偏差在允许的范围内的最大频率间隔。对于
每一类型的传声器，生产厂家都要给出一个典型的频率响
应曲线的范围，并且为了保证其产品一致性，还需要规定 实际频响曲线与典型频响曲线允许的误差。
• ②国外：
• ●8100系列
back
（5）使用与维护：
①合理选择水听器.
②标准水听器每年应经计量部门检定一次。 ③检查水听器的绝缘电阻时，试验电压不小于100v。 ④注意存放环境。 ⑤用完后妥善保管
⑥水听器的压电元件电容值不可低于水听器连接电缆本身 的电容值。所以选用低分布电容电缆。
back
2、水声发射换能器
自由声场灵敏度在消声室采用互易法校准，声压灵敏 度在耦合腔中采用互易法校准。
back
传声器的指向性：传声器的灵敏度随声波入射方向而
变化的特性。传声器的指向性常用指向性图、指向性 指数和指向性频率响应来表示。 ●传声器指向性图：在某一频率下的灵敏度随声波入射 角的变化，用极坐标表示所得的曲线。 ●传声器的指向性因数：传声器某一频率的正向自由场 灵敏度的平方与其同频率的扩散场灵敏度平方之比。 用对数表示则为传声器的指向性指数 。
根据其使用材料可分为： a、压电式：压电材料有硫酸锂单晶体、偏 铌酸铅或锆钛酸铅一类的压电陶瓷。最近 又出现复合压电材料聚偏氟乙稀压电薄膜 （PVDF）制作的水听器。 b、动圈式： c、磁致伸缩式： d、光纤式：
(2) 参数：
①水听器接收灵敏度 ②水听器的指向性 ③水声换能器的阻抗 ④动态范围
水声换能器与换能器阵技术研究
水声换能器与换能器阵技术研究水声换能器与换能器阵技术作为水下声波信号处理的关键技术，在海洋探测、水下通信、军事应用等领域具有广泛的应用价值。
本文将详细阐述水声换能器与换能器阵技术的研究现状、应用前景、技术原理及实验设计，以期为相关领域的研究提供参考与借鉴。
水声换能器与换能器阵技术研究涉及多个学科领域，包括声学、物理学、电子工程等。
目前，研究者们已经提出了多种水声换能器设计与实现的方法，如压电陶瓷换能器、磁致伸缩换能器、电致伸缩换能器等。
同时，为了提高声波信号的接收与发送效率，研究者们还研发了多种换能器阵列，如线性阵列、平面阵列、球面阵列等。
水声换能器与换能器阵技术的应用前景主要体现在以下几个方面：潜艇声呐系统：潜艇声呐系统是水下声波信号处理的重要应用之一，通过使用水声换能器和换能器阵技术，可提高潜艇的探测能力、定位精度和通信效率。
海洋探测：海洋探测是水声换能器与换能器阵技术的另一重要应用领域，如海底地形地貌探测、海洋资源开发等。
深海钻探：深海钻探过程中，水声换能器和换能器阵技术可用于传递控制信号和收集钻探数据，提高深海钻探的安全性和效率。
水声换能器与换能器阵技术的发展前景广阔，但仍面临诸多挑战。
未来研究方向可包括：高性能水声换能器的设计和制作，以提高声波信号的发送和接收效率。
低成本、大规模的换能器阵列制造技术的研究，以降低应用成本，促进普及化。
复杂水声环境下的信号处理算法研究，以提高水声信号的抗干扰能力和通信可靠性。
水声换能器与换能器阵列的优化配置与协同工作，以实现更高效的声波信号处理。
水声换能器与换能器阵技术的原理主要是基于声波的传播规律和换能器的物理特性。
声波作为一种机械波，传播时需要介质。
在水下环境中，声波主要通过水介质传播，其传播速度受到水温、盐度、压力等多种因素的影响。
水声换能器的主要功能是将电信号转换为声波信号进行传播，或者将声波信号转换为电信号进行接收。
其工作原理主要基于压电效应、磁致伸缩效应、电致伸缩效应等物理效应。
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。
水声换能器——绪论
优点：⑴ ⑵ ⑶ ⑷
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．边界元法
根据积分定理，将区域内的微分方程变成边界上的 积分方程，将边界离散成有限个单元，把边界积分方
程离散成代数方程，最后变为计算关于节点未知量的
代数方程组问题。 优点：边界划分单元，问题降一维 缺点：不能模拟复杂结构换能器内部的精细结构
七、水声换能器课程的主要内容
• • • • • • 压电陶瓷的物理性能和压电方程 压电陶瓷换能器设计（等效电路法） 水听器的分析与设计 有限元方法 新型换能器 换能器与基阵的指向性
习
一、概念题
题
1．换能器 2．等效电路法 3．有限元法
二、简答题
1．声纳方程中有哪些参数与换能器有关? 2．等效电路法、有限元法、边界元法的优缺点 3．换能器的发展趋势？ 4．换能器的研究包括哪几方面的技术？ 5．瑞利法最早被用于分析那种类型的换能器？ 6．请说出几种常用的换能器？ 7．请说出几种常用的换能器基阵？
• 包括：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、 拖曳线列阵等等
• 水下声系统：换能器或基阵还要使用其它 的一些声学部件，如：导流罩、声障板等， 统称为声系统。用于水下的就称为水下声 系统。 湿端——水下声系统 干端——电子设备、信号处理部分
复合棒换能器
种换能器具有频率低、带宽。易与水匹配等特点。
• 超磁致伸缩稀土材料Terfenol-D：
铽、镝、铁三元稀土合金 Tb0.3Dy0.7Fe2，70年代由美国海军防卫 研究所（NOL）A.E.Clark博士研制 优点 ：应变值比镍大40-50倍，比PZT大5-8倍 能量密度比镍大400-500倍，比PZT大10-14倍 声速低、尺寸小，居里点高 缺点 ：材质脆、机械加工困难、高频涡流损耗大 价格贵（2万元/公斤）
水声换能器原理
水声换能器原理
水声换能器是一种将水中的声波信号转换为电信号的装置。
它是水下通信、声纳、测深等水下探测技术中不可或缺的一部分。
水声换能器的原理是利用压电效应将水中的声波信号转换为电信号。
压电效应是指某些晶体在受到机械应力时会产生电荷分布不均的现象。
这种晶体被称为压电晶体。
当压电晶体受到声波的作用时，晶体内部的电荷分布会发生变化，从而产生电信号。
这个过程被称为压电效应。
水声换能器通常由一个压电晶体和一个负载电路组成。
压电晶体通常是一块圆形的陶瓷片，它的两面分别涂有金属电极。
当水声换能器受到声波的作用时，压电晶体会产生电荷分布不均，从而产生电信号。
这个电信号会被传输到负载电路中，经过放大和处理后，就可以得到原始的声波信号。
水声换能器的性能取决于压电晶体的材料和结构。
目前常用的压电晶体材料有铅锆钛酸钠、铅镁铌酸钛、铅锆钛酸钙等。
这些材料具有良好的压电性能和稳定性，可以满足不同应用场合的需求。
水声换能器是一种将水中的声波信号转换为电信号的装置，它的原理是利用压电效应将水中的声波信号转换为电信号。
水声换能器的性能取决于压电晶体的材料和结构，不同的应用场合需要选择不同的压电晶体材料。
第2章 水声换能器
·指向性指数
·指向性因数
水听器的指向性图
表示水听器在远场平面波作用下，所产生的开路输出电压随入射方向变化的曲线图。
指向性指数DI和指向性因数
对于水听器，其指向性因数代表定向接收器输出端的信噪比比无指向性接收器输出端的信噪比提高的倍数。
③水听器的电阻抗
在某频率下加于换能器电端的瞬时电压与所引起的瞬时电流的复数比。换能器电阻抗的倒数称为换能器的电导纳。
•连接电缆应不少于10m，当敏感元件的电容量小于连接电缆的电容量时一般应连接前置放大器。
（5）使用与维护：
①合理选择水听器.
②标准水听器每年应经计量部门检定一次。
③检查水听器的绝缘电阻时，试验电压不小于100v。
④注意存放环境，用完后妥善保管。
⑤选用低分布电容电缆。
2.水声发射换能器
（1）分类
同水听器。
④动态范围水听器主轴方向入射的正弦平面行波使水听器产生的开路电压等于水听器实际输出的带宽1Hz的开路噪声电压时，则该声波的声压级就是水听器的等效噪声声压级。
水听器的过载声压级与等效噪声声压级之差。
水听器的过载声压级引起水听器过载的作用声压级。
水听器的等效噪声压级
（3）GB/T4128-1995
一、二级标准水听器声学性能指标
稳定性
时间稳定性：
每年校准一次，其变化应在校准准确度以内。
温度稳定性：
在0~400C温度范围内，灵敏度变化应小于0.04 dB/ 0C。
在0~400C温度范围内，灵敏度变化应小于0.05 dB/ 0C。
静压稳定性：
0~4MPa工作静压范围内，灵敏度变化应小于0.3 dB/MPa。
0~4MPa工作静压范围内，灵敏度变化应小于0.4 dB/MPa
水声科普知识侧扫声呐基本工作原理
侧扫声呐基本工作原理
工作原理示意图如图1和图2所示。
左、右两条换能器具有扇形指向性。
在航线的垂直平面内开角为ΘV，水平面内开角为ΘH。
当换能器发射一个声脉冲时，可在换能器左右侧照射一窄梯形海底，如图左侧为梯形ABCD，可看出梯形的近换能器底边AB小于远换能器底边CD。
当声脉冲发出之后，声波以球面波方式向远方传播，碰到海底后反射波或反向散射波沿原路线返回到换能器，距离近的回波先到达换能器，距离远的回波后到达换能器，一般情况下，正下方海底的回波先返回，倾斜方向的回波后到达。
这样，发出一个很窄的脉冲之后，收到的回波是一个时间很长的脉冲串。
硬的、粗糙的、突起的海底回波强，软的、平坦的、下凹的海底回波弱。
被突起海底遮挡部分的海底没有回波，这一部分叫声影区。
这样回波脉冲串各处的幅度就大小不一，回波幅度的高低就包含了海底起伏软硬的信息。
一次发射可获得换能器两侧一窄条海底的信息，设备显示成一条线。
在工作船向前航行，设备按一定时间间隔进行发射/接收操作，设备将每次接收到的一线线数据显示出来，就得到了二维海底地形地貌的声图。
声图以不同颜色（伪彩色）或不同的黑白程度表示海底的特征，操作人员就可以知道海底的地形地貌。
图1
资料仅供参考!!!。
《水声换能器》课程教学大纲
水声换能器Underwater Acoustical Transducer一、课程基本情况课程类别：专业方向选修课课程学分：3学分课程总学时：48 学时，其中讲课：48学时。
课程性质：选修，需同时选修“水声测量技术”开课学期：第5学期先修课程：水声学基础适用专业：海洋技术专业本科生教材：水声换能器原理，路德明，青岛海洋大学出版社，第一版，2009o开课单位：海洋科学学院海洋技术专业二、课程性质、教学目标和任务(-)课程性质：专业方向选修课(-)教学目标水声换能器是水声设备的主要原器件之一，本课程主要讲授压电水声换能器及其组成的基阵的工作原理和基本性能。
通过本课程的学习，学生可以明确水声压电换能器在水声应用中的重要地位；理解压电材料以及磁致伸缩材料的物理性质；掌握描述换能器性能的儿个重要指标；掌握几种常用换能器的结构、分析设计方法和工作原理；明确换能器和基阵的方向特性及其改善方法。
通过该课程的学习，为本专业学生更好的从事水声技术研究奠定基础。
(三)教学任务本课程是针对海洋技术专业高年级本科生开设的一门选修课，要求具备一定的传感器、声学和海洋学方面的专业知识的学生选修。
教学内容密切结合其它专业课的学习，如声学基础、数学物理方法、水声学原理.、水声专业实验等，突出本课程的重点，保证本课程教学的流畅以及结构的完整，注重理论与实践相结合。
三、教学内容和要求(一)总论学时数：4,其中课时4,实验0。
1、主要内容：水声换能器的开展历史、研究意义、分类、分析设计方法和主要性能指标。
2、教学要求：掌握换能器的分析设计方法和主要性能指标，理解水声换能器的开展历史、及其开展趋势、换能器的分类等。
3、重点、难点：4、其它教学环节：讨论水声换能器在军事和民事上的应用及开展趋势。
（二）第一章：压电材料的物理性质学时数：6,其中课时4,实验4。
1、主要内容：压电材料的介电性、弹性性质和压电性质。
2、教学要求：掌握压电材料的介电性、弹性性质和压电性质。
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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。
如廿世纪中叶开发的压电陶瓷是经过高压直流极化处理之后才具有压电性的，因此，被称作电致伸缩材料，是当今压电换能器的主流，尤其在超声换能器领域有极其广泛的使用价值。
水声换能器按照不同的振动模式可以分为以下几类：
（1）纵向振动换能器：其振动方向与长度方向平行。
在换能器的长度方向传播应力波，它的谐振基频取决于长度，是声纳系统中使用得最广泛的类型。
（2）圆柱形换能器：采用压电陶瓷圆管（或圆环），通过合适的机械结构，安装成所需的长度。
它可以做成水平无指向性、垂直指向性可控的宽带换能器，是声纳系统中仅次于纵向换能器的一种类型，此外它还是水声计量中惯用的标准水听器和标准发射器的选型之一。
（3）弯曲振动换能器：弯曲振动换能器具有低频下尺寸小、重量轻的优点（与相同频率下、同一种有源材料的换能器相比较），其振动形式有弯曲梁、弯曲圆盘、弯曲板等。
（4）弯曲伸张换能器：弯曲伸张换能器一般是用两种振动模式组合起来的复合换能器。
例如用纵向伸缩振动棒与不同形式的弯曲壳体组合成多种形式的弯曲伸张换能器，也可以用圆形平面径向振动有源元件与碗形弯曲壳体组合成II型弯曲伸张换能器。
（5）球形换能器：利用空心压电陶瓷球壳的呼吸振动做成的球形换能器具有空间对称性好的优点。
普遍用作点源水听器。
（6）剪切振动换能器：振动方向和极化方向相平行而驱动电场的方向和振动方向相垂直的剪切振动可以满足某种特殊使用要求。
如去除牙结石的换能器就是这种形式。
3. 水声换能器的主要参数
水声换能器的主要性能指标有；水中工作频率、工作频率范围、频带宽度、发射声源级（声功率）及发射响应、指向性、接收灵敏度及接收灵敏度响应、发射效率、品质因素、阻抗、最大工作深度、尺寸和重量等。
其中：
（1）工作频率
水声换能器的工作频率或工作频率范围通常是由声纳设备的工作频率确定的。
换能器的阻抗、指向性、灵敏度、发射功率、尺寸等都是频率的函数。
一般说来，对发射换能器要计算它在谐振频率上或在谐振频率附近有限频带内的性能指标，在这个频率及其附近有最大的发射效率。
对于宽带接收换能器（压电换能器）谐振频率应远高于接收频带的上限，以保证宽带内有平坦的接收响应且要计算它在谐振频率及其以下频段内的接收响应。
大型低频声纳换能器的频率在数十赫到数千赫，而小型目标探测声纳换能器在数十千赫到数百千赫。
（2）指向性
不管是换能器还是换能器阵，它们的发射响应或接收响应会随着相对于它们的方向改变而变化。
这就是换能器具有指向性，发射换能器发射的声波如同探照灯射出的光束一样。
由于换能器具有指向性就可以把声能聚集到某个方位发射，使能量更加集中。
采用许多换能器组成尺寸更大的基阵，在相同的频率上指向性更加尖锐，能量更加集中，发射的距离更远，在接收状态下信噪比更大，作用距离也越远。
（3）阻抗（或导纳）特性
换能器在谐振频率附近可以看成一个简单串并联的等效电路。
电路中的每一个电阻、电容或电感表示该换能器固有特性，这就是换能器阻抗（或导纳）特性。
掌握了换能器的阻抗特性才能使它与发射机的末级回路或接收机的输入电路相匹配。
换能器的阻抗（或导纳）是一个复数，它是频率的函数，一般可表示成：Z(w)=R(w)+jX(w) （单位：欧姆）。
在机械共振时动态无功抗趋于零，静态容抗可用匹配电感调谐此时可以把它看成一个纯阻。
压电换能器电阻抗一般在数十欧姆到数千欧姆的范围内。
（4）发射功率
发射换能器的功能是将电子发射机的电功率转变为机械振动的机械功率，再把机械功率转变为声功率发射出去。
发射声功率是指换能器在单位时间内向介质中辐射能量多少的物理量，功率的单位用瓦表示。
换能器的发射功率受额定电压（或电流）、动态机械强度、温度及介质特性等因素的制约。
（5）发射响应
能够全面反映发射换能器性能指标的是发射响应，主要有发射电压响应和发射电流响应。
发射电压响应S V的定义是指发射换能器在指定方向上离其有效声中心d0米距离上产生的自由场表观声压P f与加到换能器输入端的电压U的比值：S V=P f d0/U。
发射电压响应通常用分贝表示。
发射电流响应是指发射换能器在指定方向上离其有效声中心d0米距离上产生的自由场表观声压P f与加到换能器输入端的电流I的比值：S I=P f d0/I 。
发射电压响应通常用分贝表示。
（6）接收灵敏度
换能器的自由场电压灵敏度指的是接收换能器在入射声波的作用下，输出端的开路电压U(w)与自由场中（假设接收换能器不存在时）它的声中心所在点的声压P f(w)的比值M(w)。
对于接收换能器而言，需要在很宽的频率范围内接收入射声信号，而压电换能器通常是在低于谐振频率的宽频带范围内工作。
（7）接收灵敏度的起伏
宽带接收换能器要求在使用的频范围内有比较平坦的接收响应。
通常规定在工作频段内接收电压灵敏度起伏量为±1.5dB。