換能器技術(shù)-課件

緒論——水聲換能器分類、應(yīng)用及分析設(shè)計方法

桑永杰為什么要學(xué)習(xí)認(rèn)識換能器？SL-聲源級，反映發(fā)射換能器輻射聲功率大小。提高聲源級，即提高輻射信號的強(qiáng)度，相應(yīng)也提高回聲信號強(qiáng)度，增加接收信號的信噪比，從而增加聲吶的作用距離。主動聲吶方程：（混響背景）（SL-2TL+TS）-RL＝DT

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，稱為電聲換能器，簡稱換能器。

2.換能器如何實現(xiàn)換能換能材料，也叫功能材料、有源材料——受交變電場/磁場激勵產(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)

3.換能器為什么要成陣為實現(xiàn)或增強(qiáng)某些電聲性能（指向性、作用距離），將多個換能器按一定規(guī)律和形狀排列起來，形成一個陣列，就成為換能器基陣，簡稱基陣。按照形狀分為：平面陣、圓柱陣、球形陣、線陣、共形陣平面陣圓柱陣球形陣拖曳線列陣共形陣水聲換能器基陣在潛艇上應(yīng)用實例4.水聲換能器的分類發(fā)射換能器（transducer/projector）接收換能器（水聽器，hydrophone）A.按照工作方式分幾種常見發(fā)射換能器幾種常見水聽器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（PMN－PT和PZN—PT）最早的換能材料，磁致伸縮如石英，1917年，朗之萬制成第一個實用換能器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40~50倍，比PZT大5~8倍；能量密度比鎳大400~500倍，比壓電陶瓷大10~14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（d33＝600pC/N,k33=70%）高出許多，分別達(dá)到2000pC/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)合材料等復(fù)合棒換能器分解圖Paul.LangevinC.按結(jié)構(gòu)分◆復(fù)合棒換能器（朗之萬換能器、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。10大家應(yīng)該也有點累了，稍作休息大家有疑問的，可以詢問和交流特點：功率容量大、效率高、易形成寬帶、結(jié)構(gòu)簡單緊湊、耐靜水壓、便于成陣等。主要應(yīng)用于艦艇主動探測、通訊聲吶基陣、魚雷聲制導(dǎo)基陣等。復(fù)合棒換能器實物照片及分解圖雙向輻射復(fù)合棒換能器◆彎張換能器彎張換能器的位移放大作用常見的七種彎張換能器特點：頻率低、大功率、尺寸小、重量輕等。主要應(yīng)用于低頻主動聲吶、各種低頻水聲實驗新型彎張換能器稀土IV彎張換能器六元彎張換能器線陣◆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；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非溢流圓管換能器溢流圓管換能器特點：水平無指向性、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、各種水聽器等。◆Helmholtz換能器利用液腔諧振，實現(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、高階液腔諧振等）一起使用，可實現(xiàn)寬帶溢流結(jié)構(gòu)，幾乎不受工作深度限制工程實踐中腔體形態(tài)靈活多樣，不拘泥于傳統(tǒng)的Helmholtz腔體結(jié)構(gòu)MultiportHelmhotztransducerJanusHelmhotztransducer◆電動式換能器輸出力：F=BIL電動式換能器的優(yōu)點：(1)頻率低，可做到幾赫茲(2)非諧振結(jié)構(gòu)，易實現(xiàn)寬帶(2)體積小、重量輕電動式換能器的缺點：(1)效率低，通常不足1%，聲源級低(2)波形差，易受工作環(huán)境影響(2)工作深度不足UW350UW600SL:平均165dB頻帶：20Hz-20kHz重量：100kg耐壓：188mSL:（max）188dB頻帶：4Hz-20kHz重量：1070kg耐壓：200m哈爾濱工程大學(xué)水聲換能器研究室研制的甚低頻電動式聲源，最低工作頻率5Hz性能指標(biāo)及結(jié)構(gòu)特點◆工作頻帶：

5Hz-1kHz◆聲源級：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(鹽霧試驗可以達(dá)到800小時)◆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，實現(xiàn)低頻寬帶的機(jī)理和結(jié)構(gòu)成為人們探求的熱點。實現(xiàn)寬帶的機(jī)理：利用多模態(tài)耦合、改善激勵方式、增加匹配層等實現(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（磁）式等。開縫圓管換能器空氣動力型換能器組合式換能器不同類型換能器性能對比◆等效電路法將換能器看為做機(jī)械振動的彈性體，利用機(jī)電類比，給出換能器的動態(tài)電路圖。由電路圖計算出換能器的電聲性能。水聲換能器的分析設(shè)計方法換能器等效電路圖優(yōu)點：物理意義明確，可明確看出計算結(jié)果與哪些參量有關(guān)。缺點：通常只能做一維分析，僅適合于簡單結(jié)構(gòu)的換能器。壓電陶瓷的徑向及厚度振動壓電陶瓷圓管的徑向振動◆有限元法有限元法是以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)部點的狀態(tài)用單元節(jié)點狀態(tài)的插值函數(shù)來近似描述，這樣就將實際的物理問題轉(zhuǎn)化為求解單元節(jié)點狀態(tài)的代數(shù)方程組問題。兩款常用的設(shè)計換能器有限元軟件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)果指向性圓管換能器流體中有限元模型聲場分布圖用云圖表現(xiàn)動態(tài)位移分布模擬靜水壓環(huán)境下殼體應(yīng)力分布發(fā)射電壓響應(yīng)曲線電導(dǎo)納曲線優(yōu)點：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。描述水聲換能器電聲性能的主要參數(shù)（1）電導(dǎo)納（單位：西門子，常用ms）a.從電導(dǎo)納曲線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=V2.G）c.依據(jù)電納曲線設(shè)計同功放匹配的電路d.通過阻抗分析儀測量正常情況下?lián)Q能器典型電導(dǎo)納曲線陶瓷碎裂時典型電導(dǎo)曲線（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.U2b.據(jù)此可計算換能器的電聲效率：η=Pa/Pe（3）聲源級（單位：dB）a.使得不同種類的換能器有了統(tǒng)一的比較標(biāo)準(zhǔn)，b.與聲功率的關(guān)系：

SL=10log(I/Io)=10log([Pa/A]/Io)

SL=170.8+10logPa+DIb.直接決定聲信號傳播距離和回波信號強(qiáng)度聲源級越大越好嗎？混響過大，淹沒回波信號、空化腐蝕（4）發(fā)射電壓響應(yīng)級（TransmittingVoltageResponse,單位：dB）a.體現(xiàn)換能器自身的聲輻射潛力b.計算公式：

TVR=20log(P.d/V)+120dB=20log(e.d/V)+120-MdBc.與聲源級的關(guān)系：

SL=20log(V)+TVRd.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