(完整版)水声换能器的基础知识
换能器技术
◆ 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
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
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 Janus Helmhotz transducer
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
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
4.水声换能器的分类
A. 按照工作方式分
发射换能器（transducer/projector） 接收换能器（水听器，hydrophone）
高 低频基本无指向性
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。
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)换能器技术概述
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
镍 压电单晶
1940s，较 强压电性能源自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
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。
◆ 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
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
◆ 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。
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。
不同类型换能器性能对比
类型
工作频率
带宽
声源级
指向性
复合棒换能器 弯张换能器
5kHz-100kHz 1-2个倍频程 高 200Hz-5kHz 不易形成宽带 较高
好 低频基本无指向性
圆管换能器
1kHz-100kHz 1个倍频程
较高
水平无指向性
Helmholtz换能器 200Hz-1kHz
水声换能器与基阵的测量
水声换能器与基阵的测量1. 阻抗水声换能器的阻抗通常是指在水声换能器电端测得的电阻抗，具体是指在某一固定频率下加到换能器输入端的瞬时电压与流入换能器的瞬时电流的复数比，单位为欧姆，用符号Z表示。
水声换能器的电导纳则是电阻抗的倒数，即指在某一固定频率下流入换能器的瞬时电流与加到换能器输入端的瞬时电压的复数比，单位为西门子，用符号Y表示。
利用阻抗分析仪可直接测出换能器在串联模式下的电阻抗和并联模式下的电导纳，但该方法通常只用于换能器在小信号状态下的阻抗或导纳测量。
2. 发送响应及声源级水声发射换能器的发送响应按参考电学量的不同分为发送电压响应、发送电流响应和发送功率响应。
在水下电声测量中，人们通常习惯用分贝来表示某一参量在某一空间点、某一时刻的幅度，相对于一个参考幅度的大小，即所谓级的概念，如声压级、声源级、发送电压响应级、发送电流响应级和发送功率响应级等等。
（1）发送电压响应换能器发送电压响应是指，在指定方向上，离发射换能器有效声中心1m处的表观声压与加到换能器输入端的电压之比。
（2）发送电流响应换能器发送电流响应是指，在指定方向上，离发射换能器有效声中心1m处的表观声压与流入换能器的电流之比。
（3）发送功率响应换能器发送功率响应是指，在指定方向上，离发射换能器有效声中心1m处的表观声压的平方与输入换能器的电功率之比。
（4）声源级发射换能器的发射声源级是指，在指定方向上，离发射换能器有效声中心1m处的表观声压级。
3. 指向性指向性是指换能器的发送响应或自由场灵敏度随发送或入射声波方向变化的特性，一般用指向性图、指向性因数和指向性指数来表示。
指向性是一个方向的函数，通常用D(θ,φ)来表示，其中φ是水平角，θ是垂直角。
因此指向性图是个空间立体图，而且它又是频率的函数，所以指向性图通常要标明测量的频率和测量平面。
在实际测量中，指向性图是二维的，通常是指水平指向性图或垂直指向性图。
如果换能器是互易的，则它的发射指向性图和接收指向性图是相同的，但在高功率状态下，由于非线性的影响，发射指向性图和接收指向性图稍有差异。
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——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。
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!!!。
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。
(完整版)水声重点(更新版)
（以下内容来自老师给的ppt ） 第1章-声纳及声纳方程1、声源级SL 描述主动声纳所发射声信号的强弱： I 是发射器声轴方向上离声源中心1m 处的声强2、发射指向性指数DITNDD T I I DI lg10=理解:3、传播损失TL 定量描述声波传播一定距离后声强度的衰减变化：rI I TL 1lg10=4、目标强度TS 定量描述目标反射本领的大小 ：5、海洋环境噪声级NL 是度量环境噪声强弱的量 ：注意：I N 是测量带宽内或1Hz 频带内的噪声强度。
6、等效平面波混响级RL 定量描述混响干扰的强弱。
7、接收指向性指数DI R 接收系统抑制背景噪声的能力。
声功率指向性水听器产生的噪噪声功率无指向性水听器产生的lg10=R DI8、检测阈DT 设备刚好能正常工作所需的处理器输入端的信噪比值(SNR)。
噪声功率信号功率lg10=DT1lg10==r I ISL ()214m W P Ia r π==77.170lg 10+=a P SL Ta DI P SL ++=77.170lg 101lg10==r irI I TS 0lg10I I RL =9、主动声纳方程（噪声背景）：（SL-2TL+TS）-（NL-DI）＝DT主动声纳方程（混响背景）：（SL-2TL+TS）-RL＝DT被动声纳方程（SL-TL）-（NL-DI）＝DT10、回声信号级：SL-2TL+TS加到主动声纳接收换能器上的回声信号的声级噪声掩蔽级：NL-DI+DT工作在噪声干扰中的声纳设备正常工作所需的最低信号级混响掩蔽级：RL+DT工作在混响干扰中的声纳设备正常工作所需的最低信号级回声余量：SL-2TL+TS-（NL-DI+DT）主动声纳回声级超过噪声掩蔽级的数量优质因数：SL-（NL-DI+DT）对于被动声纳，该量规定最大允许单程传播损失；对于主动声纳，当TS=0时，该量规定了最大允许双程传播损失品质因数：SL-（NL-DI）声纳接收换能器测得的声源级与噪声级之差思考题：1．什么是声纳？声纳可以完成哪些任务？答:利用水下声信息进行探测、识别、定位、导航和通讯的系统;按照工作方式分类：主动声纳和被动声纳2．主被、动声纳的信息流程有何不同？3．发射指向性指数物理含义是什么？答:1.在相同距离上，指向性发射器声轴上声级高出无指向性发射器辐射声场声级的分贝数；2. DIT越大，声能在声轴方向集中的程度越高；就有利于增加声纳的作用距离。
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。
(完整版)第2章水声换能器
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.—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。
E.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⑵参数①水听器接收灵敏度②水听器的指向性③水听器的电阻抗④动态范怜I①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•指向性响应图・指向性指数・指向性因数表示水听器在远场平面波作用卞，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。
r>/ = ioi g^③水听器的电阻抗在某频率卞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。
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lHz~100kHz频率范怜I的压电型标准水听器(以下同)：一级：不低于-205dB(0dB re lv / u Pa)二级：不低于-210dB (OdB relv/uPa)自由场灵敏度频率响应自由场灵敏度频响相对于声压灵敏度在整个使用频率范怜I内，至少有三个十倍频程范闱：一级：其灵敏度的不均匀性小于±1.5dE,在其他频率范围内灵敏度变化不超过-6dE或-lOdBo二级：其灵敏度的不均匀性小于±2dE,在其他频率范闱内灵敏度变化不超过+6dE或-lOdBo 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，其校准准确度优于土0.5dE；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土0.7dE°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±1.0dE；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±1.5dE°指向性一级：水平指向性：在最高使用频率下的-3dE波束宽度应人于300,在选定方向(或主轴)土50的范围内灵敏度变化应小于土0.2dBo垂直指向性：在最高使用频率下的-3dE波束宽度应人于150,在选定方向(或主轴) ±20的范围内灵敏度变化应小于土0.2dBo二级：在使用的频率范I制内，其水平指向性图与理想的全指向性图的偏差应小于±2dE。
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。
一文读懂换能器
一文读懂换能器文| 传感器技术（WW_CGQJS）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”。
换能器技术
高 低频基本无指向性
低
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。
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
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 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
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。
水声换能器工作原理
水声换能器工作原理
水声换能器是一种将水中声能转化为电能的设备，用于水声信号的接收和发射。
其工作原理基于压电效应和反压电效应。
压电效应指的是某些晶体或陶瓷材料在受到外力压缩或拉伸时会产生正比于外力的电荷积累，即产生电场。
反压电效应则是指在外电场作用下，这些材料会发生形变。
在水声换能器中，压电材料通常被制成薄片状，并在两侧贴上电极。
当水声信号传入水声换能器时，水的振动会引起换能器中的压电材料产生应变。
这些应变会导致压电材料产生电荷积累，而且电荷的数量与水声信号的强度成正比。
接收水声信号时，电荷积累在电极间的电路中会产生电流。
该电流经过适当的放大和处理，可以得到水声信号的相应电信号。
当需要发射水声信号时，外部电源施加在水声换能器的电极上，产生电场作用。
由于反压电效应的存在，电场会导致压电材料形变。
这种形变会引起水中的振动，从而产生水声信号。
总之，水声换能器的工作原理是基于压电和反压电效应，利用声波对压电材料的应变和电场的作用，将水中的声能转化为电能或将电能转化为声能。
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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。