换能器技术

绪论——水声换能器分类、应用及分析设计方法桑永杰为什么要学习认识换能器？SL-声源级，反映发射换能器辐射声功率大小。提高声源级，即提高辐射信号的强度，相应也提高回声信号强度，增加接收信号的信噪比，从而增加声呐的作用距离。主动声呐方程：（混响背景）（SL-2TL+TS）-RL＝DT1.什么叫换能器换→转换；能→能量；器→器件通俗的讲：转换能量的器件我们关注的是电能和声能间的相互转换：能够发射或接收声波，并完成声波所携带的信息和能量与电的信息和能量转换的装置，称为电声换能器，简称换能器。2.换能器如何实现换能换能材料，也叫功能材料、有源材料——受交变电场/磁场激励产生伸缩应变压电陶瓷稀土材料逆向压电效应正向压电效应磁致伸缩效应3.换能器为什么要成阵为实现或增强某些电声性能（指向性、作用距离），将多个换能器按一定规律和形状排列起来，形成一个阵列，就成为换能器基阵，简称基阵。按照形状分为：平面阵、圆柱阵、球形阵、线阵、共形阵平面阵圆柱阵球形阵拖曳线列阵共形阵1.艇艏圆柱阵（收、发共用）2.中频基阵3.舷侧阵4.侦察阵5.声速梯度仪基阵6.都卜勒测速仪基阵7.被动测距基阵8.鱼雷报警基阵9.测深（防碰）基阵10.拖曳线列阵109489495173962水声换能器基阵在潜艇上应用实例4.水声换能器的分类发射换能器（transducer/projector）接收换能器（水听器，hydrophone）A.按照工作方式分几种常见发射换能器几种常见水听器B.按功能材料分镍压电单晶钛酸钡压电陶瓷锆钛酸铅压电陶瓷系列(PZT)稀土超磁致伸缩材料（Terfenol-D）弛豫铁电单晶（PMN－PT和PZN—PT）最早的换能材料，磁致伸缩如石英，1917年，朗之万制成第一个实用换能器1940s，较强压电性能1950s，机电转换效率高，工作温度宽，至今仍是主力功能材料1970s。铽、镝与铁的合金。应变量比镍大40~50倍，比PZT大5~8倍；能量密度比镍大400~500倍，比压电陶瓷大10~14倍；与PZT相比，杨氏模量小、声速低，尤其适合制作低频、大功率、宽带水声换能器1997，压电系数、机电耦合系数比通常的锆钛酸铅压电陶瓷PZT（d33＝600pC/N,k33=70%）高出许多，分别达到2000pC/N和92％以上。其应变量比通常的压电陶瓷高出10倍以上，达到了1.7％其他：压电聚合物（PVDF)、压电复合材料等复合棒换能器分解图Paul.LangevinC.按结构分◆复合棒换能器（朗之万换能器、Tonpilz换能器）后盖板采用重金属，前盖板采用轻金属，获取较高的前后振速比；预应力螺栓施加预应力，可实现大功率输出；前盖板呈喇叭形，可增加辐射面积，调节Q值。特点：功率容量大、效率高、易形成宽带、结构简单紧凑、耐静水压、便于成阵等。主要应用于舰艇主动探测、通讯声呐基阵、鱼雷声制导基阵等。复合棒换能器实物照片及分解图双向辐射复合棒换能器◆弯张换能器弯张换能器的位移放大作用常见的七种弯张换能器特点：频率低、大功率、尺寸小、重量轻等。主要应用于低频主动声呐、各种低频水声实验新型弯张换能器稀土IV弯张换能器六元弯张换能器线阵◆圆管换能器压电陶瓷圆管内外表面铺设电极，激发圆管的径向振动；大尺寸圆管换能器需由压电陶瓷条镶拼而成。各种压电陶瓷圆管镶拼圆管非溢流圆管换能器溢流圆管换能器特点：水平无指向性、大功率、耐静水压等。主要应用于吊放声呐、声呐浮标声呐、各种水听器等。◆Helmholtz换能器aarCMf121利用液腔谐振，实现小体积、低频发射液腔谐振与其他模态（结构振动、高阶液腔谐振等）一起使用，可实现宽带溢流结构，几乎不受工作深度限制工程实践中腔体形态灵活多样，不拘泥于传统的Helmholtz腔体结构MultiportHelmhotztransducerJanusHelmhotztransducer◆电动式换能器输出力：F=BIL电动式换能器的优点：(1)频率低，可做到几赫兹(2)非谐振结构，易实现宽带(2)体积小、重量轻电动式换能器的缺点：(1)效率低，通常不足1%，声源级低(2)波形差，易受工作环境影响(2)工作深度不足UW350UW600SL:平均165dB频带：20Hz-20kHz重量：100kg耐压：188mSL:（max）188dB频带：4Hz-20kHz重量：1070kg耐压：200m哈尔滨工程大学水声换能器研究室研制的甚低频电动式声源，最低工作频率5Hz性能指标及结构特点◆工作频带：5Hz-1kHz◆声源级：160dB◆工作深度：0-50米◆结构尺寸：外径ø206mm，高度580mm◆重量：25kg◆耐海水腐蚀金属涂层(盐雾试验可以达到800小时)◆其他换能器结构当今水声换能器朝着低频、大功率、宽带、小体积、高耐静水压方向发展，实现低频宽带的机理和结构成为人们探求的热点。实现宽带的机理：利用多模态耦合、改善激励方式、增加匹配层等实现低频的结构：利用低频模态、利用液腔谐振、采用电动（磁）式等。开缝圆管换能器空气动力型换能器组合式换能器类型工作频率带宽声源级指向性复合棒换能器5kHz-100kHz1-2个倍频程高好弯张换能器200Hz-5kHz不易形成宽带较高低频基本无指向性圆管换能器1kHz-100kHz1个倍频程较高水平无指向性Helmholtz换能器200Hz-1kHz1个倍频程高低频基本无指向性电动式换能器5Hz-10kHz超宽带低基本无指向性不同类型换能器性能对比◆等效电路法将换能器看为做机械振动的弹性体，利用机电类比，给出换能器的动态电路图。由电路图计算出换能器的电声性能。水声换能器的分析设计方法换能器等效电路图优点：物理意义明确，可明确看出计算结果与哪些参量有关。缺点：通常只能做一维分析，仅适合于简单结构的换能器。压电陶瓷的径向及厚度振动压电陶瓷圆管的径向振动◆有限元法有限元法是以变分原理和剖分插值原理为基础，将待分析模型想象的划分成一系列单元，构造单元插值函数，将单元内部点的状态用单元节点状态的插值函数来近似描述，这样就将实际的物理问题转化为求解单元节点状态的代数方程组问题。两款常用的设计换能器有限元软件指向性圆管换能器有限元模型弯张换能器1/8有限元模型指向性圆管换能器模态分析结果指向性圆管换能器流体中有限元模型声场分布图用云图表现动态位移分布模拟静水压环境下壳体应力分布发射电压响应曲线电导纳曲线优点：分析任意结构的换能器。结果直观、准确，结构优化方便有效，工程应用最广泛。设计换能器必须掌握的几种计算机辅助工具有限元分析软件ANSYS、ATILA等,进行结构优化、电声性能预报等科学计算软件Matlab等，进行数值运计算。工程制图软件AutoCAD、SolidWorks，构画图纸进行机械加工描述水声换能器电声性能的主要参数（1）电导纳（单位：西门子，常用ms）a.从电导纳曲线图上可立即判断换能器是否正常：漏水、陶瓷碎裂b.希望电导值越大越好（输入换能器端的电功率P=V².G）c.依据电纳曲线设计同功放匹配的电路d.通过阻抗分析仪测量正常情况下换能器典型电导纳曲线陶瓷碎裂时典型电导曲线（2）声功率（单位：w）a.体现换能器系统（含功放、匹配电路）的声辐射能力，Pa=1/2.Rs.U²b.据此可计算换能器的电声效率：η=Pa/Pe（3）声源级（单位：dB）a.使得不同种类的换能器有了统一的比较标准，b.与声功率的关系：SL=10log(I/Io)=10log([Pa/A]/Io)SL=170.8+10logPa+DIb.直接决定声信号传播距离和回波信号强度声源级越大越好吗？混响过大，淹没回波信号、空化腐蚀（4）发射电压响应级（TransmittingVoltageResponse,单位：dB）a.体现换能器自身的声辐射潜力b.计算公式：TVR=20log(P.d/V)+120dB=20log(e.d/V)+120-MdBc.与声源级的关系：SL=20log(V)+TVRd.显示换能器的工作带宽,进行结构优化的依据（5）发射/接收指向性反映换能器辐射能量的集中程度，发射和接受指向性互易换能器交付使用时应给出的测量参数水声换能器设计制作流程依据要求的电声指标确定换能器的类型利用有限元、等效电路法等方法确定各部分尺寸构画结构图纸，交付加工零部件设计合理的预应力施加工艺、装配工艺进行装配做聚氨酯灌封等密封处理测试换能器的电声性能各种工艺（预应力施加、粘接、灌封、装配等）在换能器制作中是关键一环。某种意义上，“做换能器是个手艺活儿。”