《換能器技術(shù)》課件

1、換能器技術(shù),緒論水聲換能器分類、應用及分析設(shè)計方法 桑 永 杰,換能器技術(shù),為什么要學習認識換能器,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度，相應也提高回聲信號強度，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）-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，稱為電聲換能器，簡稱換能器,換能器技術(shù),2.換能器如何實現(xiàn)換能 換能材料，也叫功能材料、有源材

2、料受交變電場/磁場激勵產(chǎn)生伸縮應變,壓電陶瓷,稀土材料,逆向壓電效應,正向壓電效應,磁致伸縮效應,換能器技術(shù),3.換能器為什么要成陣 為實現(xiàn)或增強某些電聲性能（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,換能器技術(shù),水聲換能器基陣在潛艇上應用實例,換能器技術(shù),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,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，朗之萬制成第一個實用換能器,1940s，較強壓電性能,1950s，機電轉(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，分別達到2000 pC/N和92以上。其應變量比通常的壓電陶瓷高出10倍以上，達到了1.7,其他：壓電聚合物（PVDF)、 壓電復合材料等,換能器技術(shù),復合棒換能器分解圖,Paul.Langevin,C.按結(jié)構(gòu)分,復合棒換能器（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； 預應力螺栓施加預應力，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,換能器技術(shù),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。 主要應用于艦艇主動探測、通訊聲吶基陣、魚雷聲制導基陣等,復合棒換

5、能器實物照片及分解圖,雙向輻射復合棒換能器,換能器技術(shù),彎張換能器,彎張換能器的位移放大作用,常見的七種彎張換能器,換能器技術(shù),特點：頻率低、大功率、尺寸小、重量輕等。 主要應用于低頻主動聲吶、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,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；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：水平無指向性、大功率、耐靜水壓等。 主要應用于吊放聲吶、聲吶浮標聲吶、各種水聽器等,換能器技術(shù),Helmholtz換能器,利用液腔諧振，實

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、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),換能器技術(shù),Multiport Helmhotz transducer,Janus Helmhotz transducer,換能器技術(shù),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,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(鹽霧試驗可以達到800小時,換能器技術(shù),其他換能器結(jié)構(gòu),當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)低頻寬帶的機理和結(jié)構(gòu)成為

8、人們探求的熱點。 實現(xiàn)寬帶的機理：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,換能器技術(shù),不同類型換能器性能對比,換能器技術(shù),等效電路法 將換能器看為做機械振動的彈性體，利用機電類比，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,換能器技術(shù),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,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,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)境下殼體應力分布,換能器技術(shù),發(fā)射電壓響應曲線,電導納曲線,優(yōu)點：分析任意結(jié)構(gòu)的換能器 。 結(jié)果直觀、準確 ，結(jié)構(gòu)優(yōu)化方便有效 ，工程應用最廣泛,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）電導納（單位：西門子，常用ms,a.從電導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能器典型電導納曲線,陶瓷碎裂時典型電導曲線,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)此可計算換能器的電聲效率：=Pa/Pe,3）聲源級（單位：dB,a. 使得不同種類的換能器有了統(tǒng)一的比較標準， 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.直接決定聲信號傳播距離和回波信號強度,聲源級越大越好嗎？混響過大，淹沒回波信號、空化腐蝕,換能器技術(shù),4）發(fā)射電壓響應級（ Transmitting Voltage Response,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)+120 dB =20log(e.d/V)+120-M dB c.與聲源級的關(guān)系： SL=20log(V)+TVR d.顯示換能器的工作帶寬,進行結(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),換能器交付使用時應給出的