水聲換能器-緒論課件

換能器技術(shù)HarbinEngineeringUniversity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(jī)：

Email:

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(shí)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。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)出版社主編張福學(xué)

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）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——水下聲系統(tǒng)干端——電子設(shè)備、信號處理部分復(fù)合棒換能器主動聲納方程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)=DT二、換能器的早期發(fā)展1．1880年，居里兄弟發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)

(PierreandJacqueCurie)朗之萬（1872.1.23～1946.12.19）Langevin，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?！?/p>

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?！?/p>

1908年發(fā)展了布朗運(yùn)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(jìn)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。3．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

壓電復(fù)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。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(xiàng)目署（DARPA）舉行了壓電單晶研究隊(duì)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PZNT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析電磁式換能器：磁場性電動式電磁式磁致伸縮式：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(qiáng)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(diǎn)。

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(diǎn)：應(yīng)變值比鎳大40-50倍，比PZT大5-8倍能量密度比鎳大400-500倍，比PZT大10-14倍聲速低、尺寸小，居里點(diǎn)高缺點(diǎn)：材質(zhì)脆、機(jī)械加工困難、高頻渦流損耗大價(jià)格貴（2萬元/公斤）3.按結(jié)構(gòu)形式分類壓電元件：圓片、圓管、方片、球彎曲圓盤:雙疊片、三疊片復(fù)合棒：縱振動、夾心式、TONPILZ換能器鑲拼圓環(huán)換能器：彎張換能器：矢量水聽器：聲壓、振速優(yōu)點(diǎn)：低頻小尺寸形成指向性解決拖曳線列陣左右舷模糊問題光纖水聽器：根據(jù)聲波使光導(dǎo)纖維產(chǎn)生相位調(diào)制或強(qiáng)度調(diào)制的原理設(shè)計(jì)的

優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、頻帶寬抗電磁干擾-140dB四、理論分析方法1．等效電路法

將換能器看為做機(jī)械振動的彈性體，依據(jù)波動理論可以得到它的機(jī)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(jī)電類比可以建立換能器的機(jī)電等效圖，換能器的工作特性和參數(shù)就可以通過機(jī)電等效圖求得。

優(yōu)點(diǎn)：物理意義明確

缺點(diǎn)：通常是一維分析，適合于簡單結(jié)構(gòu)2．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

3．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(diǎn)的狀態(tài)用單元節(jié)點(diǎn)狀態(tài)的插值函數(shù)來近似描述，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。優(yōu)點(diǎn)：⑴分析任意結(jié)構(gòu)的換能器

⑵結(jié)果直觀、準(zhǔn)確

⑶工作狀態(tài)仿真

⑷應(yīng)用廣泛4．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?jì)算關(guān)于節(jié)點(diǎn)未知量的代數(shù)方程組問題。

優(yōu)點(diǎn)：邊界劃分單元，問題降一維缺點(diǎn)：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(jì)算

注意！換能器的設(shè)計(jì)不是一種準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)

某些指標(biāo)誤差要超過100%五、換能器的應(yīng)用與發(fā)展趨勢1．應(yīng)用2．發(fā)展趨勢發(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

六、水聲換能器的技術(shù)特點(diǎn)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(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)加工、裝配、灌封1．材料技術(shù)2．設(shè)計(jì)技術(shù)3．制作技術(shù)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(jì)（等效電路法）水聽器的分析與設(shè)計(jì)有限元方法新型換能器換能器與基陣的指向性習(xí)