常用压电陶瓷发射换能器
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限制。
Pa ua20 Rs
8．发射效率
Pm—机械功率 Pe—电功率 Pa—声功率
机电效率 em
pm pe
100 %
机声效率 ma
pa pm
100 %
电声效率 ea
pa pe
100 % em ma
9．机电耦合系数
(1)定义：
k2
通过逆向压电效应转换的机械能 输入的电能
换能器技术课程
第二章 常用压电陶瓷发射换能器
第一节 发射换能器的性能指标 第二节 等效电路法 第三节 压电圆管的径向振动 第四节 压电圆片的厚度振动 第五节 其它常用发射换能器
第一节 发射换能器的性能指标
1．工作频率
• 依据声呐方程确定； • 发射换能器通常工作在谐振基频上，可以获得
大功率和高效率。
5．发射响应(发射灵敏度)
——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。 p(1)=p(d) ·d
电压或电流
d属于远场
发射电压响应 发射电流响应
Sv
p(1) V
p(1) Si i
压电
磁致伸缩
用分贝的形式表示
发射电压响应级
SvL
20
log
pref
pref 1Pa
声源级与发射电压响应级对比
SL 20log p(1) 120
SvL
20
log
p(1) V
120
7．辐射ห้องสมุดไป่ตู้功率
——描述发射器在单位时间内向水介质中辐射 能量多少的物理量。
• 直接影响声呐的作用距离； • 随工作频率变化，谐振时最大； • 受到额定电压(电流)、机械强度和空化条件的
M
du dt
Rmu
udt F (t)
Cm
L dI RI Idt V (t)
dt
C
力学量 力F 振速ù 位移u
质量M 机械阻Rm 柔顺系数Cm
电学量 电压V 电流I 电量q 电感L 电阻R 电容C
q Idt u udt
4. 等效电路法
第二节 结束
将换能器看为做机械振动的弹性体，依据波动理论 可以得到它的机械振动方程；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。
Sv (Sv )0
20 log
Sv
20 log( Sv
)0
20log Sv 120
电压响应基准值 (Sv )0 1Pa /V 106 Pa /V
发射电流响应级
SiL
20
log
Si (Si )0
20 log
Si
20log(Si )0
2．化简力学量和电学量
(1) 力学量
• 应力—假定在径向振动基频附近无耦合振动，沿r(3)、 z(2)方向无应力、外力，可近似认为
通过正向压电效应转换的电能
输入的机械能
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。
(2)有效机电耦合系数
——无损耗、无负载的压电振子在机械谐 振时储存的机械能与储存的全部能量之比 的平方根。
ke2ff
W122 W1W2
W12 耦合能 W1 电能 W2 机械能
20log Si 120
电流响应基准值 (Si )0 1Pa / A 106 Pa / A
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。
SL
10 log
I
(1)
20
log
p(1)
Iref
k125
e125
cD S 15 33
第二节 等效电路法
1. 电路
V (t) L dI dt
电感
V (t) q Idt 电容 CC
V (t) RI
电阻
L dI RI Idt V (t)
dt
C
2. 机械振动系统
F(t) Ma(t) M du(t) dt
机械端等效图 电端等效图
机电等效图
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
一、压电方程的确定
牛顿第二定律
F (t) Rmu(t)
fR Rmu 阻力与振速成正比
F (t) u(t) u(t)dt
Cm
Cm
柔顺系数
f ku(t) u(t) Cm
虎克定律
M
du(t) dt
Rmu(t)
u(t)dt F (t)
Cm
机械振动系统示意图
3. 机电类比
k321
d321
sE T 11 33
k
2 p
2d
2 31
s1E1 (1
E p
)
1
2k321
E p
)
(k3l3 )2
d323
s E T 11 33
(T3 0,T1 T2 0)
第一节 结束
(k3t3 )2
e323
c3D3
S 33
(S3 0, S1 S2 0)
3．指向性
当一个发射器或接收器的尺寸能和它所在的 介质中声波的波长相比拟时，声场中的声压随着 方位的不同具有一定的分布。
指向性是远场特性
4．阻抗特性
阻抗
Z V R jX I
阻——介质损耗、机械损耗和辐射阻 抗——感抗、容抗、质量抗、弹性抗
导纳 Y I G jB
V
2．频带宽度和机械品质因数
• 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。
f f 2 f 1
• 机械品质因数
QM
f0 f
f0 f2 f1
对于谐振式换能器，带宽由QM 决 定， QM 与换能器的材料、结构尺 寸、机械损耗和辐射阻抗有关。
1．应力应变的统一形式 根据圆管结构确定采用柱坐标分析，由于
是径向极化，因此半径r方向为3方向。
(1) z(2) r(3)
满足右手定则
应力应变的统一形式变为
T1 T2 T3 T4 T5 T6 S1 S2 S3 S4 S5 S6 T Tzz Trr Tzr Tr Tz S Szz Srr Szr Sr Sz
Pa ua20 Rs
8．发射效率
Pm—机械功率 Pe—电功率 Pa—声功率
机电效率 em
pm pe
100 %
机声效率 ma
pa pm
100 %
电声效率 ea
pa pe
100 % em ma
9．机电耦合系数
(1)定义：
k2
通过逆向压电效应转换的机械能 输入的电能
换能器技术课程
第二章 常用压电陶瓷发射换能器
第一节 发射换能器的性能指标 第二节 等效电路法 第三节 压电圆管的径向振动 第四节 压电圆片的厚度振动 第五节 其它常用发射换能器
第一节 发射换能器的性能指标
1．工作频率
• 依据声呐方程确定； • 发射换能器通常工作在谐振基频上，可以获得
大功率和高效率。
5．发射响应(发射灵敏度)
——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。 p(1)=p(d) ·d
电压或电流
d属于远场
发射电压响应 发射电流响应
Sv
p(1) V
p(1) Si i
压电
磁致伸缩
用分贝的形式表示
发射电压响应级
SvL
20
log
pref
pref 1Pa
声源级与发射电压响应级对比
SL 20log p(1) 120
SvL
20
log
p(1) V
120
7．辐射ห้องสมุดไป่ตู้功率
——描述发射器在单位时间内向水介质中辐射 能量多少的物理量。
• 直接影响声呐的作用距离； • 随工作频率变化，谐振时最大； • 受到额定电压(电流)、机械强度和空化条件的
M
du dt
Rmu
udt F (t)
Cm
L dI RI Idt V (t)
dt
C
力学量 力F 振速ù 位移u
质量M 机械阻Rm 柔顺系数Cm
电学量 电压V 电流I 电量q 电感L 电阻R 电容C
q Idt u udt
4. 等效电路法
第二节 结束
将换能器看为做机械振动的弹性体，依据波动理论 可以得到它的机械振动方程；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。
Sv (Sv )0
20 log
Sv
20 log( Sv
)0
20log Sv 120
电压响应基准值 (Sv )0 1Pa /V 106 Pa /V
发射电流响应级
SiL
20
log
Si (Si )0
20 log
Si
20log(Si )0
2．化简力学量和电学量
(1) 力学量
• 应力—假定在径向振动基频附近无耦合振动，沿r(3)、 z(2)方向无应力、外力，可近似认为
通过正向压电效应转换的电能
输入的机械能
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。
(2)有效机电耦合系数
——无损耗、无负载的压电振子在机械谐 振时储存的机械能与储存的全部能量之比 的平方根。
ke2ff
W122 W1W2
W12 耦合能 W1 电能 W2 机械能
20log Si 120
电流响应基准值 (Si )0 1Pa / A 106 Pa / A
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。
SL
10 log
I
(1)
20
log
p(1)
Iref
k125
e125
cD S 15 33
第二节 等效电路法
1. 电路
V (t) L dI dt
电感
V (t) q Idt 电容 CC
V (t) RI
电阻
L dI RI Idt V (t)
dt
C
2. 机械振动系统
F(t) Ma(t) M du(t) dt
机械端等效图 电端等效图
机电等效图
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
一、压电方程的确定
牛顿第二定律
F (t) Rmu(t)
fR Rmu 阻力与振速成正比
F (t) u(t) u(t)dt
Cm
Cm
柔顺系数
f ku(t) u(t) Cm
虎克定律
M
du(t) dt
Rmu(t)
u(t)dt F (t)
Cm
机械振动系统示意图
3. 机电类比
k321
d321
sE T 11 33
k
2 p
2d
2 31
s1E1 (1
E p
)
1
2k321
E p
)
(k3l3 )2
d323
s E T 11 33
(T3 0,T1 T2 0)
第一节 结束
(k3t3 )2
e323
c3D3
S 33
(S3 0, S1 S2 0)
3．指向性
当一个发射器或接收器的尺寸能和它所在的 介质中声波的波长相比拟时，声场中的声压随着 方位的不同具有一定的分布。
指向性是远场特性
4．阻抗特性
阻抗
Z V R jX I
阻——介质损耗、机械损耗和辐射阻 抗——感抗、容抗、质量抗、弹性抗
导纳 Y I G jB
V
2．频带宽度和机械品质因数
• 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。
f f 2 f 1
• 机械品质因数
QM
f0 f
f0 f2 f1
对于谐振式换能器，带宽由QM 决 定， QM 与换能器的材料、结构尺 寸、机械损耗和辐射阻抗有关。
1．应力应变的统一形式 根据圆管结构确定采用柱坐标分析，由于
是径向极化，因此半径r方向为3方向。
(1) z(2) r(3)
满足右手定则
应力应变的统一形式变为
T1 T2 T3 T4 T5 T6 S1 S2 S3 S4 S5 S6 T Tzz Trr Tzr Tr Tz S Szz Srr Szr Sr Sz