换能器技术课件.ppt

绪论绪论————水声换能器分类、应用及分析设计方法水声换能器分类、应用及分析设计方法 桑桑 永永 杰杰《换能器技术》为什么要学习认识换能器？为什么要学习认识换能器？SL-SL-声源级，反映发射换能器辐射声功率大小声源级，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）主动声呐方程：（混响背景）（（SLSL-2TL+TS-2TL+TS））-RL-RL＝＝DTDT《换能器技术》 1.1.什么叫换能器什么叫换能器 换换→转换；转换；能能→能量；能量；器器→器件器件 通俗的讲：转换能量的器件通俗的讲：转换能量的器件 我们关注的是我们关注的是电能电能和和声能声能间的相互转换：间的相互转换： 能够发射或接收声波，并完成能够发射或接收声波，并完成声波所携带的信息和能量声波所携带的信息和能量与与电的信息和能电的信息和能量量转换的装置，称为电声换能器，简称换能器转换的装置，称为电声换能器，简称换能器。

《换能器技术》 2. 2.换能器如何实现换能换能器如何实现换能 换能材料，也叫功能材料、有源材料换能材料，也叫功能材料、有源材料——受交变电场受交变电场/磁场激励产磁场激励产生伸缩应变生伸缩应变压电陶瓷压电陶瓷稀土材料稀土材料逆向压电效应逆向压电效应正向压电效应正向压电效应磁致伸缩效应磁致伸缩效应《换能器技术》 3. 3.换能器为什么要成阵换能器为什么要成阵 为为实现或增强某些电声性能（指向性、作用距离）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，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、共形阵按照形状分为：平面阵、圆柱阵、球形阵、线阵、共形阵平面阵平面阵圆柱阵圆柱阵球形阵球形阵拖曳线列阵拖曳线列阵共形阵共形阵《换能器技术》水声换能器基阵在潜艇上应用实例水声换能器基阵在潜艇上应用实例《换能器技术》4.4.水声换能器的分类水声换能器的分类发射换能器发射换能器（（transducer/projector））接收换能器接收换能器（水听器，（水听器，hydrophone））A. A. 按照工作方式分按照工作方式分几种常见发射换能器几种常见发射换能器几种常见水听器几种常见水听器《换能器技术》B.B.按功能材料分按功能材料分镍镍压电单晶压电单晶钛酸钡压钛酸钡压电陶瓷电陶瓷锆钛酸铅锆钛酸铅压电陶瓷压电陶瓷系列系列(PZT)(PZT)稀土超磁致稀土超磁致伸缩材料伸缩材料（（Terfenol-DTerfenol-D））弛豫铁电单晶弛豫铁电单晶（（PMNPMN－－PTPT和和PZN—PT￿PZN—PT￿））最早的换最早的换能材料，能材料，磁致伸缩磁致伸缩如石英，如石英，19171917年，朗之万制年，朗之万制成第一个实用成第一个实用换能器换能器1940s1940s，较强，较强压电性能压电性能1950s1950s，机电转，机电转换效率高，工作换效率高，工作温度宽，温度宽，至今仍至今仍是主力功能材料是主力功能材料1970s1970s。

铽、镝与铁的合金应变量比镍铽、镝与铁的合金应变量比镍大大40~5040~50倍，比倍，比PZTPZT大大5~85~8倍；能量密度比倍；能量密度比镍大镍大400~500400~500倍，比压电陶瓷大倍，比压电陶瓷大10~1410~14倍；倍；与与PZTPZT相比，杨氏模量小、声速低，尤其相比，杨氏模量小、声速低，尤其适合制作低频、大功率、宽带水声换能器适合制作低频、大功率、宽带水声换能器19971997，压电系数、机电耦合系数比通，压电系数、机电耦合系数比通常的锆钛酸铅压电陶瓷常的锆钛酸铅压电陶瓷PZTPZT（（d33d33＝＝600pC/N,k33=70%600pC/N,k33=70%）高出许多，分别）高出许多，分别达到达到2000￿pC/N2000￿pC/N和和9292％以上其应变％以上其应变量比通常的压电陶瓷高出量比通常的压电陶瓷高出1010倍以上，倍以上，达到了达到了1.71.7％％其他：压电聚合物（其他：压电聚合物（PVDF)PVDF)、、 压电复合材料等压电复合材料等《换能器技术》复合棒换能器分解图复合棒换能器分解图Paul.LangevinC.C.按结构分按结构分◆￿复合棒换能器（朗之万换能器、复合棒换能器（朗之万换能器、TonpilzTonpilz换能器）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；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；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，调节前盖板呈喇叭形，可增加辐射面积，调节Q Q值。

值《换能器技术》特点：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复合棒换能器实物照片及分解图双向辐射复合棒换能器双向辐射复合棒换能器《换能器技术》◆ ◆ 弯张换能器弯张换能器弯张换能器的位移放大作用弯张换能器的位移放大作用常见的七种弯张换能器常见的七种弯张换能器《换能器技术》特点：特点：频率低、大功率、尺寸小、重量轻等频率低、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新型弯张换能器稀土稀土IVIV弯张换能器弯张换能器六元弯张换能器线阵六元弯张换能器线阵《换能器技术》◆ ◆ 圆管换能器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。

各种压电陶瓷圆管各种压电陶瓷圆管镶拼圆管镶拼圆管《换能器技术》非溢流圆管换能器非溢流圆管换能器溢流圆管换能器溢流圆管换能器特点：特点：水平无指向性、大功率、耐静水压等水平无指向性、大功率、耐静水压等 主要应用于吊放声呐、声呐浮标声呐、各种水听器等主要应用于吊放声呐、声呐浮标声呐、各种水听器等《换能器技术》◆ ◆ Helmholtz换能器换能器n利用液腔谐振，实现小体积、低频发射利用液腔谐振，实现小体积、低频发射n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，可实现宽带现宽带n溢流结构，几乎不受工作深度限制溢流结构，几乎不受工作深度限制n工程实践中腔体形态灵活多样，不拘泥于传统的工程实践中腔体形态灵活多样，不拘泥于传统的HelmholtzHelmholtz腔体结构腔体结构《换能器技术》Multiport￿Helmhotz￿transducerJanus￿Helmhotz￿transducer《换能器技术》◆ ◆ 电动式电动式换能器换能器输出力：输出力：F=BILF=BIL电动式换能器的优点：电动式换能器的优点：(1)(1)频率低，可做到几赫兹频率低，可做到几赫兹(2)(2)非谐振结构，易实现宽带非谐振结构，易实现宽带(2)(2)体积小、重量轻体积小、重量轻电动式换能器的缺点：电动式换能器的缺点：(1)(1)效率低，通常不足效率低，通常不足1%1%，声源级低，声源级低(2)(2)波形差，易受工作环境影响波形差，易受工作环境影响(2)(2)工作深度不足工作深度不足《换能器技术》￿￿￿￿￿￿UW350￿￿￿￿￿￿UW350￿￿￿￿￿￿￿UW600￿￿￿￿￿￿￿UW600SL:SL:平均平均165dB165dB频带：频带：2020HzHz-20kHz-20kHz重量：重量：100kg100kg耐压：耐压：188m188mSL:SL:（（maxmax））188dB188dB频带：频带：4 4HzHz-20kHz-20kHz重量：重量：1070kg1070kg耐压：耐压：200m200m《换能器技术》哈尔滨工程大学水声换能器研究室研制的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，最低工作频率甚低频电动式声源，最低工作频率5Hz5Hz性能指标及结构特点性能指标及结构特点◆￿◆￿工作频带：工作频带： 5Hz-￿1kHz5Hz-￿1kHz◆￿◆￿声源级：声源级：160dB160dB◆￿◆￿工作深度：工作深度：0-500-50米米◆￿◆￿结构尺寸：结构尺寸： 外径外径 ø206mmø206mm，， 高度高度580mm580mm◆￿◆￿重量：重量： 25kg￿25kg￿◆￿◆￿耐海水腐蚀金属涂耐海水腐蚀金属涂层层( (盐雾试验可以达到盐雾试验可以达到800800小时小时) )《换能器技术》◆￿其他换能器结构其他换能器结构￿￿￿￿￿￿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。

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：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：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开缝圆管换能器空气动力型换能器空气动力型换能器组合式换能器组合式换能器《换能器技术》类型类型工作频率工作频率带宽带宽声源级声源级指向性指向性复合棒换能器复合棒换能器5kHz-100kHz5kHz-100kHz1-21-2个倍频程个倍频程高高好好弯张换能器弯张换能器200Hz-5kHz200Hz-5kHz不易形成宽带不易形成宽带较高较高低频基本无指向性低频基本无指向性圆管换能器圆管换能器1kHz-100kHz1kHz-100kHz1 1个倍频程个倍频程较高较高水平无指向性水平无指向性Helmholtz换能器换能器200Hz-1kHz200Hz-1kHz1 1个倍频程个倍频程高高低频基本无指向性低频基本无指向性电动式换能器电动式换能器5Hz-10kHz5Hz-10kHz超宽带超宽带低低基本无指向性基本无指向性不同类型换能器性能对比不同类型换能器性能对比《换能器技术》◆等效电路法等效电路法 将换能器看为将换能器看为做机械振动的弹性体做机械振动的弹性体，利用机电类比，给出换能，利用机电类比，给出换能器的器的动态电路图动态电路图。

由电路图计算出换能器的电声性能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水声换能器的分析设计方法换能器等效电路图换能器等效电路图《换能器技术》优点：优点：物理意义明确，可明确看出计算结果与哪些参量有关物理意义明确，可明确看出计算结果与哪些参量有关缺点：缺点：通常只能做一维分析，仅适合于通常只能做一维分析，仅适合于简单结构的换能器简单结构的换能器压电陶瓷的径向及厚度振动压电陶瓷的径向及厚度振动压电陶瓷圆管的径向振动压电陶瓷圆管的径向振动《换能器技术》◆有限元法有限元法 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两款常用的设计换能器有限元软件《换能器技术》指向性圆管换能器有限元模型指向性圆管换能器有限元模型弯张换能器弯张换能器1/81/8有限元模型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模态分析结果《换能器技术》指向性圆管换能器流体中有限元模型指向性圆管换能器流体中有限元模型声场分布图声场分布图用云图表现动态位移分布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模拟静水压环境下壳体应力分布《换能器技术》发射电压响应曲线发射电压响应曲线电导纳曲线电导纳曲线优点：优点：分析任意结构的换能器分析任意结构的换能器 。

结果直观、准确结果直观、准确 ，结构优化方便有效，结构优化方便有效 ，工程应用最广泛工程应用最广泛《换能器技术》设计换能器必须掌握的几种计算机辅助工具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有限元分析软件ANSYS、、ATILA等等, ,进行结构优化、电声性能预报等进行结构优化、电声性能预报等科学计算软件科学计算软件Matlab等，进行数值运计算等，进行数值运计算工程制图软件工程制图软件AutoCAD、、SolidWorks，，构画图纸进行机械加工构画图纸进行机械加工《换能器技术》描述水声换能器电声性能的主要参数描述水声换能器电声性能的主要参数（（1 1）电导纳（单位：西门子，常用）电导纳（单位：西门子，常用msms））a.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.b.希望电导值越大越好（输入换能器端的电功率希望电导值越大越好（输入换能器端的电功率P=VP=V².G.G））c.c.依据电纳曲线设计同功放匹配的电路依据电纳曲线设计同功放匹配的电路d.d.通过阻抗分析仪测量通过阻抗分析仪测量正常情况下换能器典型电导纳曲线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陶瓷碎裂时典型电导曲线《换能器技术》（（2 2）声功率（单位：）声功率（单位：w w））a.a.体现体现换能器系统（含功放、匹配电路）换能器系统（含功放、匹配电路）的声辐射能力，的声辐射能力，Pa=1/2.Rs.U²b.b.据此可计算换能器的电声效率：据此可计算换能器的电声效率：η=Pa/Pe（（3 3）声源级（单位：）声源级（单位：dBdB））a. a. 使得不同种类的换能器有了统一的比较标准，使得不同种类的换能器有了统一的比较标准，b. b. 与与声功率的关系：声功率的关系：       SL = 10 log(I / Io)              = 10 log([Pa/A] / Io)        SL=170.8+10logPa+DIb.b.直接决定声信号传播距离和回波信号强度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？声源级越大越好吗？混响过大，淹没回波信号、空化腐蚀混响过大，淹没回波信号、空化腐蚀《换能器技术》（（4 4）发射电压响应级（）发射电压响应级（ T Transmitting￿ransmitting￿V Voltage￿oltage￿R Response,esponse,单位：单位：dBdB））a.a.体现体现换能器自身换能器自身的声辐射潜力的声辐射潜力b.b.计算公式：计算公式： TVR=20log(P.d/V)+120    dB             =20log(e.d/V)+120-M   dBc.与声源级的关系：与声源级的关系：      SL=20log(V)+TVRd.显示换能器的工作带宽显示换能器的工作带宽,进行结构优化的依据进行结构优化的依据（（5 5）发射）发射/ /接收指向性接收指向性    反映换能器辐射能量的集中程度，反映换能器辐射能量的集中程度，发射和接受指向性发射和接受指向性互易互易《换能器技术》换能器交付使用时应给出的测量参数换能器交付使用时应给出的测量参数《换能器技术》水声换能器设计制作流程水声换能器设计制作流程n依据要求的电声指标确定换能器的类型依据要求的电声指标确定换能器的类型n利用有限元、等效电路法等方法确定各部分尺寸利用有限元、等效电路法等方法确定各部分尺寸n构画结构图纸，交付加工零部件构画结构图纸，交付加工零部件n设计合理的预应力施加工艺、装配工艺进行装配设计合理的预应力施加工艺、装配工艺进行装配n做聚氨酯灌封等密封处理做聚氨酯灌封等密封处理n测试换能器的电声性能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，制作中是关键一环某种意义上，““做换能器是个手艺活做换能器是个手艺活儿《换能器技术》。