换能器技术概述

c.与声源级的关系：
SL=20log(V)+TVR d.显示换能器的工作带宽,进行结构优化的依据 （5）发射/接收指向性 反映换能器辐射能量的集中程度， 发射和接受指向性互易
换能器交付使用时应给出的测量参数
水声换能器设计制作流程




依据要求的电声指标确定换能器的类型 利用有限元、等效电路法等方法确定各部分尺寸 构画结构图纸，交付加工零部件 设计合理的预应力施加工艺、装配工艺进行装配 做聚氨酯灌封等密封处理 测试换能器的电声性能
主要应用于低频主动声呐、各种低频水声实验
◆ 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
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。
◆ Helmholtz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。
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
UW600 SL:（max）188dB
频带：20Hz-20kHz
重量：100kg 耐压：188m
频带：4Hz-20kHz
重量：1070kg 耐压：200m
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： 外径 ø206mm， 高度580mm ◆ 重量： 25kg ◆ 耐海水腐蚀金属涂 层(盐雾试验可以达到 800小时)
其他：压电聚合物（PVDF)、
压电复合材料等
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
Paul.Langevin
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。
复合棒换能器实物照片及分解图
绪论——水声换能器分类、应用及分析设计方法 桑 永 杰
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。
1.什么叫换能器
逆向压电效应
磁致伸缩效应
压电陶瓷
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
球形阵
拖曳线列阵
共形阵
10
9
4
8
9
4
9
5
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
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。”
描述水声换能器电声性能的主要参数
（1）电导纳（单位：西门子，常用ms） a.从电导纳曲线图上可立即判断换能器是否正常：漏水、陶瓷碎裂 b.希望电导值越大越好（输入换能器端的电功率P=V² .G） c.依据电纳曲线设计同功放匹配的电路 d.通过阻抗分析仪测量
正常情况下换能器典型电导纳曲线
陶瓷碎裂时典型电导曲线
Janus Helmhotz transducer
◆ 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
UW350 SL:平均165dB
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。
◆ 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
稀土IV弯张换能器
新型弯张换能器 特点：频率低、大功率、尺寸小、重量轻等。
六元弯张换能器线阵
◆有限元法
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 单元节点状态的插值函数来近似描述，这样就将实际的物理问题转化 为求解单元节点状态的代数方程组问题。
两款常用的设计换能器有限元软件
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
几种常见发射换能器
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 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
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
◆ 其他换能器结构Baidu Nhomakorabea
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。 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。
（2）声功率（单位：w） a.体现换能器系统（含功放、匹配电路）的声辐射能力，Pa=1/2.Rs.U² b.据此可计算换能器的电声效率：η=Pa/Pe
（3）声源级（单位：dB）
a. 使得不同种类的换能器有了统一的比较标准， b. 与声功率的关系： SL = 10 log(I / Io) = 10 log([Pa/A] / Io)
3 2. 中频基阵 6. 都卜勒测速仪基阵 9. 测深（防碰）基阵
9
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
4.水声换能器的分类
发射换能器（transducer/projector）
A. 按照工作方式分 接收换能器（水听器，hydrophone）
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
有限元分析软件 科学计算软件 工程制图软件 ANSYS、ATILA等,进行结构优化、电声性能预报等 Matlab等，进行数值运计算。 AutoCAD、SolidWorks，构画图纸进行机械加工
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
不同类型换能器性能对比
类型
复合棒换能器 弯张换能器
工作频率
5kHz-100kHz 200Hz-5kHz
带宽
1-2个倍频程 不易形成宽带
声源级
高 较高
指向性
好 低频基本无指向性
圆管换能器
Helmholtz换能器 电动式换能器
1kHz-100kHz
200Hz-1kHz 5Hz-10kHz
1个倍频程
1个倍频程 超宽带
较高
高 低
水平无指向性
低频基本无指向性 基本无指向性
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。
换能器等效电路图
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。
镍
压电单晶
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
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， 达到了1.7％
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