换能器技术详解.ppt

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？ 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 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 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 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 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） 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，尤其适合制作低频、大功率、宽带水声换能器 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％ 其他：压电聚合物（PVDF)、 压电复合材料等 复合棒换能器分解图 Paul.Langevin C.按结构分 ◆ 复合棒换能器（朗之万换能器、Tonpilz换能器） 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。 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。 复合棒换能器实物照片及分解图 双向辐射复合棒换能器 ◆ 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 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 新型弯张换能器 稀土IV弯张换能器 六元弯张换能器线阵 ◆ 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 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 ◆ 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 UW600 SL:平均165dB 频带：20Hz-20kHz 重量：100kg 耐压：188m SL:（max）188dB 频带：4Hz-20kHz 重量：1070kg 耐压：200m 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 性能指标及结构特点 ◆ 工作频