《換能器技術(shù)》課件

1、換能器技術(shù),緒論水聲換能器分類(lèi)、應(yīng)用及分析設(shè)計(jì)方法 桑 永 杰,換能器技術(shù),為什么要學(xué)習(xí)認(rèn)識(shí)換能器,SL-聲源級(jí)，反映發(fā)射換能器輻射聲功率大小。 提高聲源級(jí)，即提高輻射信號(hào)的強(qiáng)度，相應(yīng)也提高回聲信號(hào)強(qiáng)度，增加接收信號(hào)的信噪比，從而增加聲吶的作用距離,主動(dòng)聲吶方程：（混響背景） （SL-2TL+TS）-RLDT,換能器技術(shù),1.什么叫換能器 換轉(zhuǎn)換；能能量；器器件 通俗的講：轉(zhuǎn)換能量的器件 我們關(guān)注的是電能和聲能間的相互轉(zhuǎn)換： 能夠發(fā)射或接收聲波，并完成聲波所攜帶的信息和能量與電的信息和能量轉(zhuǎn)換的裝置，稱(chēng)為電聲換能器，簡(jiǎn)稱(chēng)換能器,換能器技術(shù),2.換能器如何實(shí)現(xiàn)換能 換能材料，也叫功能材料、有源材

2、料受交變電場(chǎng)/磁場(chǎng)激勵(lì)產(chǎn)生伸縮應(yīng)變,壓電陶瓷,稀土材料,逆向壓電效應(yīng),正向壓電效應(yīng),磁致伸縮效應(yīng),換能器技術(shù),3.換能器為什么要成陣 為實(shí)現(xiàn)或增強(qiáng)某些電聲性能（指向性、作用距離），將多個(gè)換能器按一定規(guī)律和形狀排列起來(lái)，形成一個(gè)陣列，就成為換能器基陣，簡(jiǎn)稱(chēng)基陣。 按照形狀分為：平面陣、圓柱陣、球形陣、線(xiàn)陣、共形陣,平面陣,圓柱陣,球形陣,拖曳線(xiàn)列陣,共形陣,換能器技術(shù),水聲換能器基陣在潛艇上應(yīng)用實(shí)例,換能器技術(shù),4.水聲換能器的分類(lèi),發(fā)射換能器（transducer/projector,接收換能器（水聽(tīng)器，hydrophone,A. 按照工作方式分,幾種常見(jiàn)發(fā)射換能器,幾種常見(jiàn)水聽(tīng)器,換能器技術(shù)

3、,B.按功能材料分,鎳,壓電單晶,鈦酸鋇壓電陶瓷,鋯鈦酸鉛壓電陶瓷系列(PZT,稀土超磁致伸縮材料（Terfenol-D,弛豫鐵電單晶 （PMNPT 和PZNPT,最早的換能材料，磁致伸縮,如石英，1917年，朗之萬(wàn)制成第一個(gè)實(shí)用換能器,1940s，較強(qiáng)壓電性能,1950s，機(jī)電轉(zhuǎn)換效率高，工作溫度寬，至今仍是主力功能材料,1970s。鋱、鏑與鐵的合金。應(yīng)變量比鎳大4050倍，比PZT大58倍；能量密度比鎳大400500倍，比壓電陶瓷大1014倍；與PZT相比，楊氏模量小、聲速低，尤其適合制作低頻、大功率、寬帶水聲換能器,1997，壓電系數(shù)、機(jī)電耦合系數(shù)比通常的鋯鈦酸鉛壓電陶瓷PZT（d336

4、00pC/N,k33=70%）高出許多，分別達(dá)到2000 pC/N和92以上。其應(yīng)變量比通常的壓電陶瓷高出10倍以上，達(dá)到了1.7,其他：壓電聚合物（PVDF)、 壓電復(fù)合材料等,換能器技術(shù),復(fù)合棒換能器分解圖,Paul.Langevin,C.按結(jié)構(gòu)分,復(fù)合棒換能器（朗之萬(wàn)換能器、Tonpilz換能器,后蓋板采用重金屬，前蓋板采用輕金屬，獲取較高的前后振速比； 預(yù)應(yīng)力螺栓施加預(yù)應(yīng)力，可實(shí)現(xiàn)大功率輸出； 前蓋板呈喇叭形，可增加輻射面積，調(diào)節(jié)Q值,換能器技術(shù),特點(diǎn)：功率容量大、效率高、易形成寬帶、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、耐靜水壓、便于成陣等。 主要應(yīng)用于艦艇主動(dòng)探測(cè)、通訊聲吶基陣、魚(yú)雷聲制導(dǎo)基陣等,復(fù)合棒換

5、能器實(shí)物照片及分解圖,雙向輻射復(fù)合棒換能器,換能器技術(shù),彎張換能器,彎張換能器的位移放大作用,常見(jiàn)的七種彎張換能器,換能器技術(shù),特點(diǎn)：頻率低、大功率、尺寸小、重量輕等。 主要應(yīng)用于低頻主動(dòng)聲吶、各種低頻水聲實(shí)驗(yàn),新型彎張換能器,稀土IV彎張換能器,六元彎張換能器線(xiàn)陣,換能器技術(shù),圓管換能器,壓電陶瓷圓管內(nèi)外表面鋪設(shè)電極，激發(fā)圓管的徑向振動(dòng)；大尺寸圓管換能器需由壓電陶瓷條鑲拼而成,各種壓電陶瓷圓管,鑲拼圓管,換能器技術(shù),非溢流圓管換能器,溢流圓管換能器,特點(diǎn)：水平無(wú)指向性、大功率、耐靜水壓等。 主要應(yīng)用于吊放聲吶、聲吶浮標(biāo)聲吶、各種水聽(tīng)器等,換能器技術(shù),Helmholtz換能器,利用液腔諧振，實(shí)

6、現(xiàn)小體積、低頻發(fā)射 液腔諧振與其他模態(tài)（結(jié)構(gòu)振動(dòng)、高階液腔諧振等）一起使用，可實(shí)現(xiàn)寬帶 溢流結(jié)構(gòu)，幾乎不受工作深度限制 工程實(shí)踐中腔體形態(tài)靈活多樣，不拘泥于傳統(tǒng)的Helmholtz腔體結(jié)構(gòu),換能器技術(shù),Multiport Helmhotz transducer,Janus Helmhotz transducer,換能器技術(shù),電動(dòng)式換能器,輸出力：F=BIL,電動(dòng)式換能器的優(yōu)點(diǎn)： (1)頻率低，可做到幾赫茲 (2)非諧振結(jié)構(gòu)，易實(shí)現(xiàn)寬帶 (2)體積小、重量輕,電動(dòng)式換能器的缺點(diǎn)： (1)效率低，通常不足1%，聲源級(jí)低 (2)波形差，易受工作環(huán)境影響 (2)工作深度不足,換能器技術(shù),UW350,U

7、W600,SL:平均165dB 頻帶：20Hz-20kHz 重量：100kg 耐壓：188m,SL:（max）188dB 頻帶：4Hz-20kHz 重量：1070kg 耐壓：200m,換能器技術(shù),哈爾濱工程大學(xué)水聲換能器研究室研制的甚低頻電動(dòng)式聲源，最低工作頻率5Hz,性能指標(biāo)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 工作頻帶： 5Hz- 1kHz 聲源級(jí)：160dB 工作深度：0-50米 結(jié)構(gòu)尺寸： 外徑 206mm， 高度580mm 重量： 25kg 耐海水腐蝕金屬涂層(鹽霧試驗(yàn)可以達(dá)到800小時(shí),換能器技術(shù),其他換能器結(jié)構(gòu),當(dāng)今水聲換能器朝著低頻、大功率、寬帶、小體積、高耐靜水壓方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)低頻寬帶的機(jī)理和結(jié)構(gòu)成為

8、人們探求的熱點(diǎn)。 實(shí)現(xiàn)寬帶的機(jī)理：利用多模態(tài)耦合、改善激勵(lì)方式、增加匹配層等 實(shí)現(xiàn)低頻的結(jié)構(gòu)：利用低頻模態(tài)、利用液腔諧振、采用電動(dòng)（磁）式等,開(kāi)縫圓管換能器,空氣動(dòng)力型換能器,組合式換能器,換能器技術(shù),不同類(lèi)型換能器性能對(duì)比,換能器技術(shù),等效電路法 將換能器看為做機(jī)械振動(dòng)的彈性體，利用機(jī)電類(lèi)比，給出換能器的動(dòng)態(tài)電路圖。由電路圖計(jì)算出換能器的電聲性能,水聲換能器的分析設(shè)計(jì)方法,換能器等效電路圖,換能器技術(shù),優(yōu)點(diǎn)：物理意義明確，可明確看出計(jì)算結(jié)果與哪些參量有關(guān)。 缺點(diǎn)：通常只能做一維分析，僅適合于簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的換能器,壓電陶瓷的徑向及厚度振動(dòng),壓電陶瓷圓管的徑向振動(dòng),換能器技術(shù),有限元法 有限元法是以

9、變分原理和剖分插值原理為基礎(chǔ)，將待分析模型想象的劃分成一系列單元，構(gòu)造單元插值函數(shù)，將單元內(nèi)部點(diǎn)的狀態(tài)用單元節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的插值函數(shù)來(lái)近似描述，這樣就將實(shí)際的物理問(wèn)題轉(zhuǎn)化為求解單元節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的代數(shù)方程組問(wèn)題,兩款常用的設(shè)計(jì)換能器有限元軟件,換能器技術(shù),指向性圓管換能器有限元模型,彎張換能器1/8有限元模型,指向性圓管換能器模態(tài)分析結(jié)果,換能器技術(shù),指向性圓管換能器流體中有限元模型,聲場(chǎng)分布圖,用云圖表現(xiàn)動(dòng)態(tài)位移分布,模擬靜水壓環(huán)境下殼體應(yīng)力分布,換能器技術(shù),發(fā)射電壓響應(yīng)曲線(xiàn),電導(dǎo)納曲線(xiàn),優(yōu)點(diǎn)：分析任意結(jié)構(gòu)的換能器 。 結(jié)果直觀、準(zhǔn)確 ，結(jié)構(gòu)優(yōu)化方便有效 ，工程應(yīng)用最廣泛,換能器技術(shù),換能器技術(shù),描述水

10、聲換能器電聲性能的主要參數(shù),1）電導(dǎo)納（單位：西門(mén)子，常用ms,a.從電導(dǎo)納曲線(xiàn)圖上可立即判斷換能器是否正常：漏水、陶瓷碎裂 b.希望電導(dǎo)值越大越好（輸入換能器端的電功率P=V.G） c.依據(jù)電納曲線(xiàn)設(shè)計(jì)同功放匹配的電路 d.通過(guò)阻抗分析儀測(cè)量,正常情況下?lián)Q能器典型電導(dǎo)納曲線(xiàn),陶瓷碎裂時(shí)典型電導(dǎo)曲線(xiàn),換能器技術(shù),2）聲功率（單位：w,a.體現(xiàn)換能器系統(tǒng)（含功放、匹配電路）的聲輻射能力，Pa=1/2.Rs.U b.據(jù)此可計(jì)算換能器的電聲效率：=Pa/Pe,3）聲源級(jí)（單位：dB,a. 使得不同種類(lèi)的換能器有了統(tǒng)一的比較標(biāo)準(zhǔn)， b. 與聲功率的關(guān)系： SL = 10 log(I / Io) = 1

11、0 log(Pa/A / Io) SL=170.8+10logPa+DI b.直接決定聲信號(hào)傳播距離和回波信號(hào)強(qiáng)度,聲源級(jí)越大越好嗎？混響過(guò)大，淹沒(méi)回波信號(hào)、空化腐蝕,換能器技術(shù),4）發(fā)射電壓響應(yīng)級(jí)（ Transmitting Voltage Response,單位：dB,a.體現(xiàn)換能器自身的聲輻射潛力 b.計(jì)算公式： TVR=20log(P.d/V)+120 dB =20log(e.d/V)+120-M dB c.與聲源級(jí)的關(guān)系： SL=20log(V)+TVR d.顯示換能器的工作帶寬,進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的依據(jù),5）發(fā)射/接收指向性,反映換能器輻射能量的集中程度，發(fā)射和接受指向性互易,換能器技術(shù),換能器交付使用時(shí)應(yīng)給出的