換能器技術(shù)課件

1、換能器技術(shù)課件1 桑桑 永永 杰杰換能器技術(shù)課件2為什么要學(xué)習(xí)認(rèn)識(shí)換能器？為什么要學(xué)習(xí)認(rèn)識(shí)換能器？sl-聲源級(jí)，反映發(fā)射換能器輻射聲功率大小。聲源級(jí)，反映發(fā)射換能器輻射聲功率大小。提高聲源級(jí)，即提高輻射信號(hào)的強(qiáng)度，相應(yīng)也提高回聲信號(hào)提高聲源級(jí)，即提高輻射信號(hào)的強(qiáng)度，相應(yīng)也提高回聲信號(hào)強(qiáng)度，增加接收信號(hào)的信噪比，從而增加聲吶的作用距離。強(qiáng)度，增加接收信號(hào)的信噪比，從而增加聲吶的作用距離。 主動(dòng)聲吶方程：（混響背景）主動(dòng)聲吶方程：（混響背景）（sl-2tl+ts）-rldt換能器技術(shù)課件3 1.1.什么叫換能器什么叫換能器 換換轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換；能能能量；能量；器器器件器件 通俗的講：轉(zhuǎn)換能量的器件通俗

2、的講：轉(zhuǎn)換能量的器件 我們關(guān)注的是我們關(guān)注的是電能電能和和聲能聲能間的相互轉(zhuǎn)換：間的相互轉(zhuǎn)換： 能夠發(fā)射或接收聲波，并完成能夠發(fā)射或接收聲波，并完成聲波所攜帶的信息和能量聲波所攜帶的信息和能量與與電的信息和電的信息和能量能量轉(zhuǎn)換的裝置，稱為電聲換能器，簡(jiǎn)稱換能器轉(zhuǎn)換的裝置，稱為電聲換能器，簡(jiǎn)稱換能器。換能器技術(shù)課件4 2. 2.換能器如何實(shí)現(xiàn)換能換能器如何實(shí)現(xiàn)換能 換能材料，也叫功能材料、有源材料換能材料，也叫功能材料、有源材料受交變電場(chǎng)受交變電場(chǎng)/磁場(chǎng)激勵(lì)產(chǎn)磁場(chǎng)激勵(lì)產(chǎn)生伸縮應(yīng)變生伸縮應(yīng)變壓電陶瓷壓電陶瓷稀土材料稀土材料逆向壓電效應(yīng)逆向壓電效應(yīng)正向壓電效應(yīng)正向壓電效應(yīng)磁致伸縮效應(yīng)磁致伸縮效應(yīng)換

3、能器技術(shù)課件5 3. 3.換能器為什么要成陣換能器為什么要成陣 為為實(shí)現(xiàn)或增強(qiáng)某些電聲性能（指向性、作用距離）實(shí)現(xiàn)或增強(qiáng)某些電聲性能（指向性、作用距離），將多個(gè)換能器按，將多個(gè)換能器按一定規(guī)律和形狀排列起來(lái)，形成一個(gè)陣列，就成為換能器基陣，簡(jiǎn)稱基陣。一定規(guī)律和形狀排列起來(lái)，形成一個(gè)陣列，就成為換能器基陣，簡(jiǎn)稱基陣。 按照形狀分為：平面陣、圓柱陣、球形陣、線陣、共形陣按照形狀分為：平面陣、圓柱陣、球形陣、線陣、共形陣平面陣平面陣圓柱陣圓柱陣球形陣球形陣拖曳線列陣拖曳線列陣共形陣共形陣換能器技術(shù)課件6 1.艇艏圓柱陣（收、發(fā)共用） 2.中頻基陣 3.舷側(cè)陣 4.偵察陣 5. 聲速梯度儀基陣 6.都

4、卜勒測(cè)速儀基陣 7.被動(dòng)測(cè)距基陣 8.魚雷報(bào)警基陣 9.測(cè)深（防碰）基陣 10. 拖曳線列陣 10 9 4 8 9 4 9 5 1 7 3 9 6 2 水聲換能器基陣在潛艇上應(yīng)用實(shí)例水聲換能器基陣在潛艇上應(yīng)用實(shí)例換能器技術(shù)課件74.4.水聲換能器的分類水聲換能器的分類發(fā)射換能器發(fā)射換能器（transducer/projector）接收換能器接收換能器（水聽器，（水聽器，hydrophone）a. a. 按照工作方式分按照工作方式分幾種常見發(fā)射換能器幾種常見發(fā)射換能器幾種常見水聽器幾種常見水聽器換能器技術(shù)課件8b.b.按功能材料分按功能材料分鎳鎳壓電單晶壓電單晶鈦酸鋇壓鈦酸鋇壓電陶瓷電陶瓷鋯鈦酸

5、鉛鋯鈦酸鉛壓電陶瓷壓電陶瓷系列系列(pzt)稀土超磁致稀土超磁致伸縮材料伸縮材料（terfenol-d）弛豫鐵電單晶弛豫鐵電單晶（pmnpt和和pznpt ）最早的最早的換能材換能材料，磁料，磁致伸縮致伸縮如石英，如石英，1917年，朗之萬(wàn)制年，朗之萬(wàn)制成第一個(gè)實(shí)用成第一個(gè)實(shí)用換能器換能器1940s，較，較強(qiáng)壓電性能強(qiáng)壓電性能1950s，機(jī)電轉(zhuǎn)，機(jī)電轉(zhuǎn)換效率高，工作換效率高，工作溫度寬，溫度寬，至今仍至今仍是主力功能材料是主力功能材料1970s。鋱、鏑與鐵的合金。應(yīng)變量比鎳。鋱、鏑與鐵的合金。應(yīng)變量比鎳大大4050倍，比倍，比pzt大大58倍；能量密度倍；能量密度比鎳大比鎳大400500倍，比

6、壓電陶瓷大倍，比壓電陶瓷大1014倍；與倍；與pzt相比，楊氏模量小、聲速低，相比，楊氏模量小、聲速低，尤其適合制作低頻、大功率、寬帶水聲換尤其適合制作低頻、大功率、寬帶水聲換能器能器1997，壓電系數(shù)、機(jī)電耦合系數(shù)比通，壓電系數(shù)、機(jī)電耦合系數(shù)比通常的鋯鈦酸鉛壓電陶瓷常的鋯鈦酸鉛壓電陶瓷pzt（d33600pc/n,k33=70%）高出許多，分）高出許多，分別達(dá)到別達(dá)到2000 pc/n和和92以上。其應(yīng)以上。其應(yīng)變量比通常的壓電陶瓷高出變量比通常的壓電陶瓷高出10倍以上，倍以上，達(dá)到了達(dá)到了1.7其他：壓電聚合物（其他：壓電聚合物（pvdf)、 壓電復(fù)合材料等壓電復(fù)合材料等換能器技術(shù)課件9復(fù)

7、合棒換能器分解圖復(fù)合棒換能器分解圖paul.langevinc.c.按結(jié)構(gòu)分按結(jié)構(gòu)分 復(fù)合棒換能器（朗之萬(wàn)換能器、復(fù)合棒換能器（朗之萬(wàn)換能器、tonpilztonpilz換能器）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；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(yù)應(yīng)力螺栓施加預(yù)應(yīng)力，可實(shí)現(xiàn)大功率輸出；預(yù)應(yīng)力螺栓施加預(yù)應(yīng)力，可實(shí)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)前蓋板呈喇叭形，可增加輻射面積，調(diào)節(jié)q q值。值。換能器技術(shù)課件10特點(diǎn)：特點(diǎn)：功率容量大、效率高、易形成寬帶、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、耐靜水壓、便于成陣等。功率容量大、效率高、易形成寬帶、結(jié)

8、構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、耐靜水壓、便于成陣等。 主要應(yīng)用于艦艇主動(dòng)探測(cè)、通訊聲吶基陣、魚雷聲制導(dǎo)基陣等。主要應(yīng)用于艦艇主動(dòng)探測(cè)、通訊聲吶基陣、魚雷聲制導(dǎo)基陣等。復(fù)合棒換能器實(shí)物照片及分解圖復(fù)合棒換能器實(shí)物照片及分解圖雙向輻射復(fù)合棒換能器雙向輻射復(fù)合棒換能器換能器技術(shù)課件11 彎張換能器彎張換能器彎張換能器的位移放大作用彎張換能器的位移放大作用常見的七種彎張換能器常見的七種彎張換能器換能器技術(shù)課件12特點(diǎn)：特點(diǎn)：頻率低、大功率、尺寸小、重量輕等。頻率低、大功率、尺寸小、重量輕等。 主要應(yīng)用于低頻主動(dòng)聲吶、各種低頻水聲實(shí)驗(yàn)主要應(yīng)用于低頻主動(dòng)聲吶、各種低頻水聲實(shí)驗(yàn)新型彎張換能器新型彎張換能器稀土稀土iviv彎張

9、換能器彎張換能器六元彎張換能器線陣六元彎張換能器線陣換能器技術(shù)課件13 圓管換能器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(dòng)；大尺寸圓管換能器需由壓電陶瓷條鑲拼而成。振動(dòng)；大尺寸圓管換能器需由壓電陶瓷條鑲拼而成。各種壓電陶瓷圓管各種壓電陶瓷圓管鑲拼圓管鑲拼圓管換能器技術(shù)課件14非溢流圓管換能器非溢流圓管換能器溢流圓管換能器溢流圓管換能器特點(diǎn)：特點(diǎn)：水平無(wú)指向性、大功率、耐靜水壓等。水平無(wú)指向性、大功率、耐靜水壓等。 主要應(yīng)用于吊放聲吶、聲吶浮標(biāo)聲吶、各種水聽器等。主要應(yīng)用于吊放聲吶、聲吶浮標(biāo)聲吶、各種水聽器等。換能器技術(shù)課件15 he

10、lmholtz換能器換能器aarcmf121n利用液腔諧振，實(shí)現(xiàn)小體積、低頻發(fā)射利用液腔諧振，實(shí)現(xiàn)小體積、低頻發(fā)射n液腔諧振與其他模態(tài)（結(jié)構(gòu)振動(dòng)、高階液腔諧振等）一起使用，可實(shí)液腔諧振與其他模態(tài)（結(jié)構(gòu)振動(dòng)、高階液腔諧振等）一起使用，可實(shí)現(xiàn)寬帶現(xiàn)寬帶n溢流結(jié)構(gòu)，幾乎不受工作深度限制溢流結(jié)構(gòu)，幾乎不受工作深度限制n工程實(shí)踐中腔體形態(tài)靈活多樣，不拘泥于傳統(tǒng)的工程實(shí)踐中腔體形態(tài)靈活多樣，不拘泥于傳統(tǒng)的helmholtzhelmholtz腔體結(jié)構(gòu)腔體結(jié)構(gòu)換能器技術(shù)課件16multiport helmhotz transducerjanus helmhotz transducer換能器技術(shù)課件17 電動(dòng)式

11、電動(dòng)式換能器換能器輸出力：輸出力：f=bil電動(dòng)式換能器的優(yōu)點(diǎn)：電動(dòng)式換能器的優(yōu)點(diǎn)：(1)頻率低，可做到幾赫茲頻率低，可做到幾赫茲(2)非諧振結(jié)構(gòu)，易實(shí)現(xiàn)寬帶非諧振結(jié)構(gòu)，易實(shí)現(xiàn)寬帶(2)體積小、重量輕體積小、重量輕電動(dòng)式換能器的缺點(diǎn)：電動(dòng)式換能器的缺點(diǎn)：(1)效率低，通常不足效率低，通常不足1%，聲源級(jí)低，聲源級(jí)低(2)波形差，易受工作環(huán)境影響波形差，易受工作環(huán)境影響(2)工作深度不足工作深度不足換能器技術(shù)課件18 uw350 uw600sl:平均平均165db頻帶：頻帶：20hz-20khz重量：重量：100kg耐壓：耐壓：188msl:（max）188db頻帶：頻帶：4hz-20khz重量

12、：重量：1070kg耐壓：耐壓：200m換能器技術(shù)課件19哈爾濱工程大學(xué)水聲換能器研究室研制哈爾濱工程大學(xué)水聲換能器研究室研制的甚低頻電動(dòng)式聲源，最低工作頻率的甚低頻電動(dòng)式聲源，最低工作頻率5hz5hz性能指標(biāo)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)性能指標(biāo)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 工作頻帶：工作頻帶： 5hz- 1khz 聲源級(jí)：聲源級(jí)：160db 工作深度：工作深度：0-50米米 結(jié)構(gòu)尺寸：結(jié)構(gòu)尺寸： 外徑外徑 206mm， 高度高度580mm 重量：重量： 25kg 耐海水腐蝕金屬涂耐海水腐蝕金屬涂層層(鹽霧試驗(yàn)可以達(dá)到鹽霧試驗(yàn)可以達(dá)到800小時(shí)小時(shí))換能器技術(shù)課件20 其他換能器結(jié)構(gòu)其他換能器結(jié)構(gòu) 當(dāng)今水聲換能器朝著低頻、大功率

13、、寬帶、小體積、高耐靜水壓方向當(dāng)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(shí)現(xiàn)低頻寬帶的機(jī)理和結(jié)構(gòu)成為人們探求的熱點(diǎn)。發(fā)展，實(shí)現(xiàn)低頻寬帶的機(jī)理和結(jié)構(gòu)成為人們探求的熱點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)寬帶的機(jī)理：實(shí)現(xiàn)寬帶的機(jī)理：利用多模態(tài)耦合、改善激勵(lì)方式、增加匹配層等利用多模態(tài)耦合、改善激勵(lì)方式、增加匹配層等實(shí)現(xiàn)低頻的結(jié)構(gòu)：實(shí)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(dòng)（磁）式等。利用低頻模態(tài)、利用液腔諧振、采用電動(dòng)（磁）式等。開縫圓管換能器開縫圓管換能器空氣動(dòng)力型換能器空氣動(dòng)力型換能器組合式換能器組合式換能器換能器技術(shù)課件21類型類型工作頻率工作頻率帶寬帶寬聲源級(jí)聲源級(jí)指向性指向性復(fù)合棒換

14、能器復(fù)合棒換能器5khz-100khz5khz-100khz1-21-2個(gè)倍頻程個(gè)倍頻程高高好好彎張換能器彎張換能器200hz-5khz200hz-5khz不易形成寬帶不易形成寬帶較高較高低頻基本無(wú)指向性低頻基本無(wú)指向性圓管換能器圓管換能器1khz-100khz1khz-100khz1 1個(gè)倍頻程個(gè)倍頻程較高較高水平無(wú)指向性水平無(wú)指向性helmholtz換能器換能器200hz-1khz200hz-1khz1 1個(gè)倍頻程個(gè)倍頻程高高低頻基本無(wú)指向性低頻基本無(wú)指向性電動(dòng)式換能器電動(dòng)式換能器5hz-10khz5hz-10khz超寬帶超寬帶低低基本無(wú)指向性基本無(wú)指向性不同類型換能器性能對(duì)比不同類型換能

15、器性能對(duì)比換能器技術(shù)課件22等效電路法等效電路法 將換能器看為將換能器看為做機(jī)械振動(dòng)的彈性體做機(jī)械振動(dòng)的彈性體，利用機(jī)電類比，給出換能，利用機(jī)電類比，給出換能器的器的動(dòng)態(tài)電路圖動(dòng)態(tài)電路圖。由電路圖計(jì)算出換能器的電聲性能。由電路圖計(jì)算出換能器的電聲性能。水聲換能器的分析設(shè)計(jì)方法水聲換能器的分析設(shè)計(jì)方法換能器等效電路圖換能器等效電路圖換能器技術(shù)課件23優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：物理意義明確，可明確看出計(jì)算結(jié)果與哪些參量有關(guān)。物理意義明確，可明確看出計(jì)算結(jié)果與哪些參量有關(guān)。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：通常只能做一維分析，僅適合于通常只能做一維分析，僅適合于簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的換能器。簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)的換能器。壓電陶瓷的徑向及厚度振動(dòng)壓電陶瓷的徑向

16、及厚度振動(dòng)壓電陶瓷圓管的徑向振動(dòng)壓電陶瓷圓管的徑向振動(dòng)換能器技術(shù)課件24有限元法有限元法 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(diǎn)的狀態(tài)用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(diǎn)的狀態(tài)用單元節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的插值函數(shù)來(lái)近似描述，這樣就將實(shí)際的物理問題轉(zhuǎn)化單元節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的插值函數(shù)來(lái)近似描述，這樣就將實(shí)際的物理問題轉(zhuǎn)化為求解單元節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的代數(shù)方程組問題。為求解單元節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的代數(shù)方程組問題。兩款常用的設(shè)計(jì)換能器有限元軟件兩款常用的設(shè)計(jì)換能器有限元軟件換能器技術(shù)課件25指向性圓

17、管換能器有限元模型指向性圓管換能器有限元模型彎張換能器彎張換能器1/81/8有限元模型有限元模型指向性圓管換能器模態(tài)分析結(jié)果指向性圓管換能器模態(tài)分析結(jié)果換能器技術(shù)課件26指向性圓管換能器流體中有限元模型指向性圓管換能器流體中有限元模型聲場(chǎng)分布圖聲場(chǎng)分布圖用云圖表現(xiàn)動(dòng)態(tài)位移分布用云圖表現(xiàn)動(dòng)態(tài)位移分布模擬靜水壓環(huán)境下殼體應(yīng)力分布模擬靜水壓環(huán)境下殼體應(yīng)力分布換能器技術(shù)課件27發(fā)射電壓響應(yīng)曲線發(fā)射電壓響應(yīng)曲線電導(dǎo)納曲線電導(dǎo)納曲線優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：分析任意結(jié)構(gòu)的換能器分析任意結(jié)構(gòu)的換能器 。 結(jié)果直觀、準(zhǔn)確結(jié)果直觀、準(zhǔn)確 ，結(jié)構(gòu)優(yōu)化方便有效，結(jié)構(gòu)優(yōu)化方便有效 ，工程應(yīng)用最廣泛。，工程應(yīng)用最廣泛。換能器技術(shù)課件

18、28設(shè)計(jì)換能器必須掌握的幾種計(jì)算機(jī)輔助工具設(shè)計(jì)換能器必須掌握的幾種計(jì)算機(jī)輔助工具有限元分析軟件有限元分析軟件ansys、atila等等, ,進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化、電聲性能預(yù)報(bào)等進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化、電聲性能預(yù)報(bào)等科學(xué)計(jì)算軟件科學(xué)計(jì)算軟件matlab等，進(jìn)行數(shù)值運(yùn)計(jì)算。等，進(jìn)行數(shù)值運(yùn)計(jì)算。工程制圖軟件工程制圖軟件autocad、solidworks，構(gòu)畫圖紙進(jìn)行機(jī)械加工構(gòu)畫圖紙進(jìn)行機(jī)械加工換能器技術(shù)課件29描述水聲換能器電聲性能的主要參數(shù)描述水聲換能器電聲性能的主要參數(shù)（1 1）電導(dǎo)納（單位：西門子，常用）電導(dǎo)納（單位：西門子，常用msms）a.a.從電導(dǎo)納曲線圖上可立即判斷換能器是否正常：漏水、陶瓷碎裂從電導(dǎo)

19、納曲線圖上可立即判斷換能器是否正常：漏水、陶瓷碎裂b.b.希望電導(dǎo)值越大越好（輸入換能器端的電功率希望電導(dǎo)值越大越好（輸入換能器端的電功率p=vp=v.g.g）c.c.依據(jù)電納曲線設(shè)計(jì)同功放匹配的電路依據(jù)電納曲線設(shè)計(jì)同功放匹配的電路d.d.通過阻抗分析儀測(cè)量通過阻抗分析儀測(cè)量正常情況下?lián)Q能器典型電導(dǎo)納曲線正常情況下?lián)Q能器典型電導(dǎo)納曲線陶瓷碎裂時(shí)典型電導(dǎo)曲線陶瓷碎裂時(shí)典型電導(dǎo)曲線換能器技術(shù)課件30（2 2）聲功率（單位：）聲功率（單位：w w）a.a.體現(xiàn)體現(xiàn)換能器系統(tǒng)（含功放、匹配電路）換能器系統(tǒng)（含功放、匹配電路）的聲輻射能力，的聲輻射能力，pa=1/2.rs.ub.b.據(jù)此可計(jì)算換能器的電聲效率：據(jù)此可計(jì)算換能器的電聲效率：=pa/pe（3 3）聲源級(jí)（單位：）聲源級(jí)（單位：dbdb）a. a. 使得不同種類的換能器有了統(tǒng)一的比較標(biāo)準(zhǔn)，使得不同種類的換能器有了統(tǒng)一的比較標(biāo)準(zhǔn)，b. b. 與與聲功率的關(guān)系：聲功率的關(guān)系： sl = 10 log(i / io) = 10 log(pa/a / io) sl=170.8+10logpa+dib.b.直接決定聲信號(hào)傳播距離和回波信號(hào)強(qiáng)度直接決定聲信號(hào)傳播距離和回波信號(hào)強(qiáng)度聲源級(jí)越大越好嗎？聲源級(jí)越大越好嗎？混響過大，淹沒回波信號(hào)、空化腐蝕混響過大，淹沒回波信號(hào)、空化腐蝕換能器技術(shù)課件31（4 4）發(fā)射電壓