水聲換能器緒論

1、換能器技術(shù)Harbin Engineering University1聯(lián)系方式 水聲學(xué)院聲學(xué)教研室水聲樓716房間 電話 (o) 82569505 手機： Email:2專業(yè)課學(xué)習(xí)方法只需掌握基本理論、基本方法和專業(yè)常識，不需要全懂；多接觸相關(guān)工作，理論與實踐結(jié)合，在工作中解決問題；培養(yǎng)對這門知識的興趣和熱情。3前導(dǎo)課與后續(xù)課程前續(xù)課：聲與振動基礎(chǔ)、數(shù)學(xué)物理方法和 電路基礎(chǔ)后續(xù)課：聲學(xué)測量實驗 換能器制作工藝實驗課4參考書目壓電換能器與換能器陣（上、下） 北大出版社，欒桂冬，張金鐸，王仁乾水聲換能器與基陣周福洪編著 國防工業(yè)出版社超聲換能器，袁易全著， 南京大學(xué)出版社壓電學(xué) （上、中、下）科學(xué)

2、出版社 主編 張福學(xué) 5一、基本概念換能器：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，就稱為電聲換能器，簡稱換能器。發(fā)射換能器 電能聲能 transducer projector接收換能器 聲能電能 hydrophone （水聽器）67基陣：將多個換能器按一定的規(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。包括：線列陣、平面陣、圓柱陣、球形陣 參量陣、乘積陣、合成孔徑陣、恒定束寬陣 舷側(cè)陣、共形陣、 拖曳線列陣等等8水下聲系統(tǒng)：換能器或基陣還要使用其它的一些聲學(xué)部件，如：導(dǎo)流罩、聲障板等，統(tǒng)稱為聲系統(tǒng)。用于水下的就稱為水下聲系統(tǒng)。 濕端水下聲系

3、統(tǒng) 干端電子設(shè)備、信號處理部分9復(fù)合棒換能器1011121314主動聲納系統(tǒng)框圖15主動聲納方程SL-2TL+TS-(NL-DIi)=DTSL=170.8+10lg(Pa)+ DITPa換能器基陣的輻射聲功率DIT發(fā)射指向性指數(shù)DIi接收指向性指數(shù)被動聲納方程 SL-TL-(NL-DIi)=DT161718192021二、換能器的早期發(fā)展11880年，居里兄弟發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng) (Pierre and Jacque Curie)2221917年，法國科學(xué)家朗之萬（Langevin）石英鋼夾心式壓電換能器，是第一個實用的壓電換能器。 23朗之萬（1872.1.231946.12.19）Langevi

4、n，Paul法國物理學(xué)家。生于巴黎卒于同地。1909年任法蘭西學(xué)院教授，1934年當(dāng)選為法蘭西科學(xué)院院士。 朗之萬以對次級X射線、氣體中離子的性質(zhì)、氣體分子動理論、磁性理論以及相對論方面的工作著稱。 1905年提出關(guān)于磁性的理論，用基元磁體的概念對物質(zhì)的順磁性及抗磁性作了經(jīng)典的說明。 1908年發(fā)展了布朗運動的漲落理論。 在第一次世界大戰(zhàn)期間，為了探測潛艇，利用石英的壓電振動獲得了水中的超聲波。 中國九一八事變后，他進行了各種聲援中國的活動，并批評了國際聯(lián)盟對日本侵略者的縱容。 243水溶性晶體 酒石酸鉀鈉RS、磷酸二氫胺（ADP） 4壓電陶瓷50年代后期，發(fā)現(xiàn)了鐵電陶瓷的電致伸縮效應(yīng)， 成份

5、與性能可以有效控制和生產(chǎn)， 解決了極化工藝。60年代中期，研制成功預(yù)應(yīng)力螺桿復(fù)合棒換能器， 小體積重量大聲能密度 廣泛應(yīng)用于水聲和超聲領(lǐng)域 25三、換能器的分類1按工作形式分類： 發(fā)射換能器和接收換能器262. 按原理和材料分類壓電單晶：石英、鈮酸鋰（LiNbO3） 性能穩(wěn)定、居里點高 羅謝耳鹽（酒石酸鉀鈉RS或KNT） 磷酸二氫胺（ADP）水溶性晶體壓電陶瓷: 鈦酸鋇 BaTiO3 鋯鈦酸鉛Pb(ZrxTi1-x)O3 PZT4、PZT5、PZT8電場性壓電薄膜：聚偏氟乙烯（PVDF）是一種柔軟的塑性薄膜，聲阻抗與水接近，能夠很好的和水匹配，能夠做成高頻、高靈敏度、寬帶換能器。2728壓電復(fù)

6、合材料：是將壓電陶瓷相和聚合物相按一定的連通方式、一定的體積或重量比例和一定的空間幾何分布復(fù)合而成。2930馳豫型鐵電單晶:1997.3 美國的科學(xué)雜志介紹了材料領(lǐng)域的重大突破， 美國賓夕法尼亞州州立大學(xué)研制出了馳豫型鐵電單晶。1997.5 美國海軍研究辦公室ONR舉行壓電單晶發(fā)展研討會；1998.7 美國國防尖端研究項目署（DARPA）舉行了壓電單晶研究隊伍組織的研討會，大力資助了有關(guān)新型壓電單晶的制備及應(yīng)用研究，希望盡快用新型壓電單晶代替目前所用壓電陶瓷，發(fā)展新一代聲納系統(tǒng)中的水聲換能器。 鈮鎂酸鉛 PMNT鈮鋅酸鉛 PZNT31電動式換能器：頻率低、頻帶寬、源極高； 用于大洋測溫和海洋層

7、析電磁式換能器：磁場性電動式電磁式32磁致伸縮式： 磁致伸縮材料鎳、鐵鎳合金、鋁鐵合金、鐵鈷合金 鎳鐵氧體、鎳鋅鐵氧體、鎳銅鐵氧體等 1920-1950有兩種線圈：直流偏磁 交流激勵鐵磁流體：鐵磁流體是一種液體功能材料，鐵磁流體換能器是利用這種功能材料在強恒磁場下，可由梯度磁場激發(fā)產(chǎn)生Kelvin力，將力轉(zhuǎn)化成輻射面的振動，輻射聲能。這種換能器具有頻率低、帶寬。易與水匹配等特點。 33超磁致伸縮稀土材料Terfenol-D： 鋱、鏑、鐵三元稀土合金 Tb0.3Dy0.7Fe2，70年代由美國海軍防衛(wèi)研究所（NOL）A.E.Clark博士研制 優(yōu)點 ：應(yīng)變值比鎳大40-50倍，比PZT大5-8倍

8、 能量密度比鎳大400-500倍，比PZT大10-14倍 聲速低、尺寸小，居里點高 缺點 ：材質(zhì)脆、機械加工困難、高頻渦流損耗大 價格貴（2萬元/公斤）343. 按結(jié)構(gòu)形式分類壓電元件：圓片、圓管、方片、球35彎曲圓盤: 雙疊片、三疊片36復(fù)合棒：縱振動、夾心式、TONPILZ換能器鑲拼圓環(huán)換能器：3738彎張換能器：39矢量水聽器：聲壓、振速優(yōu)點：低頻小尺寸形成指向性 解決拖曳線列陣左右舷模糊問題40光纖水聽器： 根據(jù)聲波使光導(dǎo)纖維產(chǎn)生相位調(diào)制或強度調(diào)制的原理設(shè)計的 優(yōu)點：靈敏度高、頻帶寬抗電磁干擾-140dB41四、理論分析方法1等效電路法 將換能器看為做機械振動的彈性體，依據(jù)波動理論可以

9、得到它的機械振動方程；根據(jù)電路的規(guī)律可以得到電路狀態(tài)方程；根據(jù)壓電方程和機電類比可以建立換能器的機電等效圖，換能器的工作特性和參數(shù)就可以通過機電等效圖求得。 優(yōu)點：物理意義明確 缺點：通常是一維分析，適合于簡單結(jié)構(gòu)422瑞利法（能量分析法） 首先確定所要研究的振動模式及其振動位移分布，再利用它求出該模式的動能和位能的關(guān)系式，最后用來確定該模式應(yīng)具有的頻率。 用于分析彎曲圓盤換能器 433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)

10、方程組問題。 優(yōu)點： 分析任意結(jié)構(gòu)的換能器 結(jié)果直觀、準(zhǔn)確 工作狀態(tài)仿真 應(yīng)用廣泛444邊界元法 根據(jù)積分定理，將區(qū)域內(nèi)的微分方程變成邊界上的積分方程，將邊界離散成有限個單元，把邊界積分方程離散成代數(shù)方程，最后變?yōu)橛嬎汴P(guān)于節(jié)點未知量的代數(shù)方程組問題。 優(yōu)點：邊界劃分單元，問題降一維缺點：不能模擬復(fù)雜結(jié)構(gòu)換能器內(nèi)部的精細(xì)結(jié)構(gòu) 和復(fù)雜振動 應(yīng)用：簡單換能器和已知表面振速分布任意表面） 的輻射聲場計算 45注意！換能器的設(shè)計不是一種準(zhǔn)確的設(shè)計 某些指標(biāo)誤差要超過100%46五、換能器的應(yīng)用與發(fā)展趨勢1應(yīng)用472發(fā)展趨勢48發(fā)射：低頻、大功率、寬帶、深水、小尺寸接收：矢量接收、高靈敏度、微型化 49六、水聲換能器的技術(shù)特點有源材料：壓電材料、磁致伸縮材料 無源材料：吸聲、反聲、透聲、去耦、結(jié)構(gòu)理論設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計 加工、裝配、灌封1材料技術(shù)2設(shè)計技術(shù)3制作技術(shù)50七、水聲換能器課程的主要內(nèi)容 壓電陶瓷的物理性能和壓電方程 壓電陶瓷換能器設(shè)計（等效電路法） 水聽器的分析與設(shè)計 有限元方法 新型換