换能器技术幻灯片.ppt

换能器技术 哈尔滨工程大学水声工程学院 授课人：蓝 宇 桑永杰 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？ 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。 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 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 4.水声换能器的分类 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。 ◆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。 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 欢迎大家加入水声工程学院 水声换能器团队 联 系 人：蓝 宇 地 址：水声楼716室 联系方式：0451 lanyu@hrbeu.edu.cn （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)? 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 （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 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-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。 主动声呐方程：（混响背景） （SL-2TL+TS）-RL＝DT 压电陶瓷 稀土材料 逆向压电效应 正向压电效应 磁致伸缩效应 平面阵 圆柱阵 球形阵 拖曳线列阵 共形阵 水声换能器基阵在潜艇上应用实例 发射换能器（transducer/projector） 接收换能器（水听器，hydrophone） A. 按照工作方式分 几种常见发射换能器 几种常见水听器 B.按功能材料分 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 ） 最早的换能材料，磁致伸缩 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 1950s，机电转换效率高，工作温度宽，至今仍是主力功能材料 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