換能器原理介紹

1、電聲換能器電聲轉(zhuǎn)換器是把聲能轉(zhuǎn)換成電能或電能轉(zhuǎn)換成聲能的器件，電聲工程中的傳聲器、揚聲器和耳機(jī)是最典型的電能、聲能之間相互變換的器些器件統(tǒng)稱為電聲換能器。目錄· 電聲換能器分類 · 電聲換能器系統(tǒng)組成 · 電聲換能器主要性能 · 電聲換能器分類o 廣義的電聲應(yīng)用的頻率范圍很寬，包括次聲、可聽聲、超聲換能器。屬于可聽聲頻率范圍內(nèi)的電聲換能器有傳聲器、揚聲器、送受話器、助聽器等等。按照換能方式，它們又可以分成電動式、靜電式、壓電式、電磁式、碳粒式、離子式和調(diào)制氣流式等。其中后三種是不可逆的，碳粒式只能把聲能變成電能，離子式和調(diào)制氣流式的只能產(chǎn)生聲能。而其他類

2、型換能器則是可逆的。即可用作聲接收器也可用作聲發(fā)射器。 · 電聲換能器系統(tǒng)組成o 各種電聲換能器，盡管其類型、功用或工作狀態(tài)不同，它們都包含兩個基本 組成部分，即電系統(tǒng)和機(jī)械振動系統(tǒng)。在換能器內(nèi)部，電系統(tǒng)和機(jī)械振動系統(tǒng)之 間通過某種物理效應(yīng)相互聯(lián)系，以完成能量的轉(zhuǎn)換；在其外部，換能器的電系統(tǒng) 與信號發(fā)生器的輸出回路，或前級放大器的輸入回路相匹配；而換能器的機(jī)械振 動系統(tǒng)，以其振動表面與聲場相匹配。電聲換能器它包括三個互相聯(lián)系的子系統(tǒng)。1.以輻射或接受聲波的振動板為中心的機(jī)械一聲系統(tǒng)。2.起電一聲兩種能量之間相互變換作用的能量變換系統(tǒng)。3.擔(dān)任電信號輸入、 輸出的電學(xué)系統(tǒng)。這

3、三個子系統(tǒng)的復(fù)合系統(tǒng)之間的能量關(guān)系是非常復(fù)雜的， 是互相聯(lián)系密不可分 的。這三種體系是互相牽制的，處理得不好往往會顧此失彼。例如，一個有效的 磁系統(tǒng)可能會非常笨重，變成一種令人不能接受的聲障礙物；或者聲輸入阻抗或 電輸出阻抗的數(shù)值，可能根本不能與周圍媒質(zhì)或附屬設(shè)備相匹配。由此可見，電 聲換能器的設(shè)計總是在許多相互矛盾的因素中采取折衷的辦法。· 電聲換能器主要性能o 1.換能器的工作頻率換能器工作頻率的設(shè)計依據(jù)涉及傳聲媒質(zhì)對超聲波能量衰減的因素、檢測目標(biāo)（如缺陷）對超聲波的反射特性、傳聲媒質(zhì)的本底噪聲以及輻射阻抗等等。決定換能器工作頻率的影響因素有很多，如激勵用電信號的頻率、換能器的組

4、裝結(jié)構(gòu)設(shè)計、工作原理的應(yīng)用范圍與限制條件、換能元件自身的材料物理特性等等。換能器的許多重要性能，如指向性、發(fā)射聲功率、接收靈敏度以及聲場特性等都直接受其工作頻率的影響。因此，在確定或選擇工作頻率時必須兼顧各方面的因素予以綜合考慮。就一般而言，發(fā)射換能器在其諧振基頻上工作時可獲得最佳的工作狀態(tài)，即能獲得最大的電聲轉(zhuǎn)換效率和發(fā)射聲功率。同樣，在此條件下，作為接收換能器也能獲得最佳的頻率響應(yīng)和接收靈敏度。2.換能器響應(yīng)（靈敏度）這是指換能器（或整個儀器系統(tǒng)）輸出端的特定量與輸入端的另一特定量之比值，通常有以下幾種具體性能：1接收電壓靈敏度（又稱接收電壓響應(yīng)，自由場電壓靈敏度）：接收換能器輸出端的開路

5、電壓與聲場中引入換能器前存在于換能器聲中心位置處自由場聲壓之比。常用單位有伏特/微巴（V/bar）、伏/帕（V/Pa）和分貝（dB）。這里所謂的自由場是指均勻各向同性媒質(zhì)中可以忽略邊界影響時的聲場。有效聲中心是指在發(fā)生器上或附近的一點，從遠(yuǎn)處觀察時似乎聲波是從該點發(fā)出的球面發(fā)散聲波，即聲源直徑很小以至可以近似地把它看作點聲源。在給出換能器自由場電壓靈敏度時，一般還應(yīng)同時指明參考點，指定方向和輸出端。若是接收換能器輸出端阻抗無限大時，則此時的接收電壓靈敏度就稱為開路靈敏度（或稱開路響應(yīng)）。就所用單位而言，“伏特/微巴”意味著作用在換能器上的聲壓為1微巴（1bar=0.1N/m2=1達(dá)因/厘米2）

6、時在換能器輸出端負(fù)載上可得到1伏特的電壓，顯然此值越大，則接收靈敏度越高，因為換句話來說，就是一定的聲壓作用能得到較大的開路電壓。在用分貝（dB）表示時：dB=20lgM0（V/bar）/1（V/bar）這是以1V/bar為零分貝（參考點靈敏度），將觀測到的靈敏度除以參考點靈敏度所得到的商再取以10為底的對數(shù)并乘以20，從而得到用分貝表示的自由場電壓靈敏度。2接收電流靈敏度（接收電流響應(yīng)，自由場電流靈敏度）：接收換能器輸出端的短路電流與聲場中引入換能器前存在于換能器聲中心位置處自由場聲壓之比。常用單位有安培/微巴（A/bar），安培/帕（A/Pa）和分貝（dB）。3聲壓靈敏度（聲壓響應(yīng)）：接收

7、換能器輸出端開路電壓與換能器接收面上實際聲壓之比，單位為伏特/帕（V/Pa）。注意該參數(shù)與1是不同的。4發(fā)送電壓靈敏度（發(fā)送電壓響應(yīng)）：這是用于發(fā)射換能器的性能，它指在某頻率下，在指定方向上，離開發(fā)射換能器有效聲中心1米處的表觀聲壓與施加在發(fā)射換能器輸入端上的信號電壓之比，單位為帕/伏特（Pa/V），故此參數(shù)和1相反。5發(fā)送電流靈敏度（發(fā)送電流響應(yīng)）：這也是用于發(fā)射換能器的，它指在某頻率下，在指定方向上，離開發(fā)射換能器有效聲中心1米處的表觀聲壓與施加在發(fā)射換能器輸入端上的信號電流之比，單位為帕/安培（Pa/A）。6發(fā)送功率響應(yīng)：在指定方向上離開發(fā)射換能器有效聲中心1米處的表觀均方聲壓與發(fā)射換能

8、器輸入功率之比，單位為平方帕（Pa2）。7發(fā)送效率：發(fā)射換能器的總輸出聲功率與輸入電功率之比。在考慮輸入電功率時，一般不計入為供應(yīng)固定偏壓或勵磁用的電功率。注意此參數(shù)與換能效率密切相關(guān)。8頻率響應(yīng)：理想換能器的頻率響應(yīng)特性要求輸出電壓與聲壓成正比而與聲波頻率無關(guān)，這主要是用于接收換能器的性能，與頻帶范圍有關(guān)。3.頻帶寬度f對換能器而言時，是指換能器發(fā)送響應(yīng)或接收靈敏度響應(yīng)的曲線上低于最大響應(yīng)3分貝時兩個頻率之差，稱為換能器的頻帶寬度f（-3dB），如圖所示：在圖中，f0為最大響應(yīng)時的頻率，而頻帶寬度則為：f=f2-f1換能器的頻帶寬度f與換能器機(jī)械品質(zhì)因素Qm和最大響應(yīng)頻率f0（機(jī)械共振頻率）

9、有關(guān)，他們?nèi)叩年P(guān)系為：Qm=f0/f4.品質(zhì)因素Q這是對單自由度的機(jī)械或電學(xué)系統(tǒng)共振尖銳度或頻率選擇性的度量，有機(jī)械品質(zhì)因素Qm和電學(xué)品質(zhì)因素Qe兩類。特別要指出，機(jī)械品質(zhì)因素Qm是換能器諧振特性、頻帶寬度或阻尼的一個量度，尤其是阻尼對換能器的工作狀態(tài)有非常密切的關(guān)系。Qm對換能器產(chǎn)生的波形和接收時的響應(yīng)曲線等有著重要的影響。機(jī)械品質(zhì)因素Qm的定義為：Qm=0M/Rm=/f0/f式中：0-諧振時的角頻率，即=2f0；f0-機(jī)械共振頻率；f-頻帶寬度，它等于圖1.6中的（f2-f1），這里的f1和f2分別是低于和高于f0的頻率，在該頻率處速度振幅將下降到它的極大值（諧振點）的1/（21/2），

10、即20lg1/（21/2）=3dB；M-振動系統(tǒng)的等效質(zhì)量，這在通常是把換能器當(dāng)作具有分布常數(shù)來進(jìn)行測定的；Rm-換能器機(jī)械阻抗的力阻分量，它相當(dāng)于換能器中的能量消耗；-這是一個作自由振動但有阻尼的換能器的對數(shù)減縮，它等于Rm/2f0M對于Qm大的換能器，其頻帶寬度窄，在諧振頻率點上有較高的靈敏度，即諧振峰尖銳，一個短促的電脈沖就能使高Qm值的發(fā)射換能器有一個較長持續(xù)時間的“振鈴”存在（就像敲鑼，擊一下就會響一陣，然而在檢測技術(shù)應(yīng)用中則不希望出現(xiàn)這種“振鈴”干擾），或者，在接收時會因“濾波”作用（即截止頻率范圍窄）而使輸出的電信號不能準(zhǔn)確代表真實的寬頻帶超聲脈沖（同樣以敲鑼為例-擊一下馬上用手

11、捂住鑼面，則鑼聲短促即止）。在實際應(yīng)用中，需要施加到換能器上的發(fā)射電壓在理論上能在輻射表面上產(chǎn)生盡可能大的振幅位移（達(dá)到諧振狀態(tài)），而在撤除此電壓后，換能器應(yīng)能盡快地停振，即使得振幅回零（這樣就可以產(chǎn)生短促的聲脈沖）。在接收狀態(tài)下，則應(yīng)使應(yīng)力脈沖（聲脈沖）施加到理想的接收換能器上時不會產(chǎn)生“振鈴”現(xiàn)象，輸出的電信號才能真實地再現(xiàn)應(yīng)力波的情況。從上述這些要求來看，都希望換能器的Qm值較低為好。Qm值的大小除與換能元件本身的材料特性有關(guān)外，通?？梢酝ㄟ^附加阻尼的方法來降低Qm值，而且，在Qm值較低時，換能器的頻率響應(yīng)將趨于較平坦的曲線，獲得較好的，但也相應(yīng)降低了靈敏度。5.阻抗特性在檢測系統(tǒng)中，換

12、能器的作用可以等效于一個電路元件，可以利用電路回路的等效阻抗分析方法描述換能器的工作特性，換能器的阻抗特性與換能器本身的工作方式、組裝結(jié)構(gòu)以及換能元件的材料特性等密切相關(guān)。換能器的阻抗特性還應(yīng)該能與儀器發(fā)射電路的抗相匹配，才能達(dá)到最佳諧振狀態(tài)-達(dá)到最佳發(fā)射特性。6.指向性因素在檢測技術(shù)中，一般都要求所使用的換能器有尖銳的指向性，就象使用聚光手電筒照明，這樣有利于集中發(fā)射能量，在接收時能獲得較高的信噪比，也有利于對檢測目標(biāo)的定位評定。換能器的指向性與其輻射面尺寸、結(jié)構(gòu)、工作頻率和傳聲介質(zhì)特性等相關(guān)，通?？捎弥赶蛐砸蛩貋矸从硴Q能器的指向性：對于發(fā)射換能器，所謂指向性因素是指在發(fā)射聲束的主軸線聲壓（

13、最大值方向）上，遠(yuǎn)離發(fā)射換能器的某一定點處某頻率的均方聲壓與通過該點和換能器同心的球面上某點同一頻率的均方聲壓之比。對于接收換能器，則是指沿?fù)Q能器主軸線傳來某頻率聲波所產(chǎn)生的電動勢平方值與頻率相同、方均根聲壓相同的擴(kuò)散聲場所產(chǎn)生的電動勢平方值之比。指向性因素也可以用分貝（dB）表示，這是稱為指向性指數(shù)，它等于指向性因素的常用對數(shù)乘10。對于發(fā)射換能器，指向性指數(shù)也可稱作指向性增益。點聲換能器的指向性指數(shù)為：DI=10lgI/I0式中：I-與聲源距離r的軸線上聲強(qiáng)；I0- I0 =W/4r2，W=sIds，這里W是聲源向整個空間輻射的總功率。7.噪音級由于換能器的內(nèi)阻、導(dǎo)線或負(fù)載上分子（或原子）

14、的熱運動，即使在外來聲壓為零的情況下，換能器仍會有一定的電壓輸出，即為噪音電壓Un，其值與換能器靈敏度（響應(yīng)）U無關(guān)。噪音電壓的絕對值大小并不重要，重要的是它與換能器靈敏度的比值，通常采用相對噪音級表示，即：Nn=20lgUn/U （dB）顯然，噪音級的值應(yīng)越小越好。除了上述幾種主要性能外，在實際應(yīng)用中反映換能器工作性能的因素還有動態(tài)范圍、有效帶寬、波束寬度、換能器損失等。例如，本專業(yè)在超聲檢測技術(shù)中對所用的超聲換能器有其特定的要求，包括：檢測用超聲換能器一般不需要大功率，而往往只需較小的功率，因為檢測用超聲波的聲強(qiáng)應(yīng)小到不至引起傳聲介質(zhì)的性質(zhì)發(fā)生變化，同時又有足夠的強(qiáng)度使接收到的信號明顯大于噪音（因此大多采用脈沖波，其瞬時功率較大可以保證有足夠的信噪比，而平均功率較小，也使得換能器比較輕巧靈活便于使用）；作為檢測用的換能器，由于是用作物理量的測量，故必須有較好的時間穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性等；在換能過程中，應(yīng)盡可能保持波形不變（即波形畸變要盡可能地小）才能真實反映檢測對象的特征；對換能器的振動方式有特殊要求，一邊能在傳聲介質(zhì)中激發(fā)出所需要波型的超聲波，例如縱波、橫波、瑞利波、蘭姆波、爬波等等；此外，在檢測條件、對象及環(huán)境的需要下，對換能器也有相應(yīng)的特殊要求，