水声换能器——绪论

换能器技术主讲教师:蓝宇副教授HarbinEngineeringUniversity联系方式•水声学院声学教研室水声楼716房间电话(o)82569505手机：[phone]Email:[e-mail]专业课学习方法•只需掌握基本理论、基本方法和专业常识，不需要全懂；•多接触相关工作，理论与实践结合，在工作中解决问题；•培养对这门知识的兴趣和热情。前导课与后续课程•前续课：声与振动基础、数学物理方法和电路基础•后续课：声学测量实验换能器制作工艺实验课参考书目•《压电换能器与换能器阵》（上、下）北大出版社，栾桂冬，张金铎，王仁乾•《水声换能器与基阵》周福洪编著国防工业出版社•《超声换能器》，袁易全著，南京大学出版社•《压电学》（上、中、下）科学出版社主编张福学一、基本概念•换能器：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，就称为电声换能器，简称换能器。发射换能器电能→声能transducerprojector接收换能器声能→电能hydrophone（水听器）•基阵：将多个换能器按一定的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。•包括：线列阵、平面阵、圆柱阵、球形阵参量阵、乘积阵、合成孔径阵、恒定束宽阵舷侧阵、共形阵、拖曳线列阵等等•水下声系统：换能器或基阵还要使用其它的一些声学部件，如：导流罩、声障板等，统称为声系统。用于水下的就称为水下声系统。湿端——水下声系统干端——电子设备、信号处理部分复合棒换能器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主动声纳系统框图换能器与基阵收发转换装置接收机指示器发射机定时系统同步控制湿端干端主动声纳方程SL-2TL+TS-(NL-DIi)=DTSL=170.8+10lg(Pa)+DITPa——换能器基阵的辐射声功率DIT——发射指向性指数DIi——接收指向性指数被动声纳方程SL-TL-(NL-DIi)=DT二、换能器的早期发展1．1880年，居里兄弟发现了压电效应(PierreandJacqueCurie)2．1917年，法国科学家朗之万（Langevin）石英—钢夹心式压电换能器，是第一个实用的压电换能器。朗之万（1872.1.23～1946.12.19）Langevin，Paul法国物理学家。生于巴黎卒于同地。1909年任法兰西学院教授，1934年当选为法兰西科学院院士。◆朗之万以对次级X射线、气体中离子的性质、气体分子动理论、磁性理论以及相对论方面的工作著称。◆1905年提出关于磁性的理论，用基元磁体的概念对物质的顺磁性及抗磁性作了经典的说明。◆1908年发展了布朗运动的涨落理论。◆在第一次世界大战期间，为了探测潜艇，利用石英的压电振动获得了水中的超声波。◆中国九一八事变后，他进行了各种声援中国的活动，并批评了国际联盟对日本侵略者的纵容。3．水溶性晶体酒石酸钾钠RS、磷酸二氢胺（ADP）4．压电陶瓷50年代后期，发现了铁电陶瓷的电致伸缩效应，成份与性能可以有效控制和生产，解决了极化工艺。60年代中期，研制成功预应力螺杆复合棒换能器，小体积重量——大声能密度广泛应用于水声和超声领域三、换能器的分类1．按工作形式分类：发射换能器和接收换能器电能机械能声能发射接收2.按原理和材料分类•压电单晶：石英、铌酸锂（LiNbO3）性能稳定、居里点高罗谢耳盐（酒石酸钾钠RS或KNT）磷酸二氢胺（ADP）—水溶性晶体•压电陶瓷:钛酸钡BaTiO3锆钛酸铅Pb(ZrxTi1-x)O3PZT4、PZT5、PZT8电场性•压电薄膜：聚偏氟乙烯（PVDF）是一种柔软的塑性薄膜，声阻抗与水接近，能够很好的和水匹配，能够做成高频、高灵敏度、宽带换能器。•压电复合材料：是将压电陶瓷相和聚合物相按一定的连通方式、一定的体积或重量比例和一定的空间几何分布复合而成。•驰豫型铁电单晶:1997.3美国的《科学》杂志介绍了材料领域的重大突破，美国宾夕法尼亚州州立大学研制出了驰豫型铁电单晶。1997.5美国海军研究办公室ONR举行压电单晶发展研讨会；1998.7美国国防尖端研究项目署（DARPA）举行了压电单晶研究队伍组织的研讨会，大力资助了有关新型压电单晶的制备及应用研究，希望尽快用新型压电单晶代替目前所用压电陶瓷，发展新一代声纳系统中的水声换能器。铌镁酸铅PMNT铌锌酸铅PZNT•电动式换能器：频率低、频带宽、源极高；用于大洋测温和海洋层析•电磁式换能器：磁场性电动式电磁式•磁致伸缩式：磁致伸缩材料——镍、铁镍合金、铝铁合金、铁钴合金镍铁氧体、镍锌铁氧体、镍铜铁氧体等1920-1950有两种线圈：直流偏磁交流激励•铁磁流体：铁磁流体是一种液体功能材料，铁磁流体换能器是利用这种功能材料在强恒磁场下，可由梯度磁场激发产生Kelvin力，将力转化成辐射面的振动，辐射声能。这种换能器具有频率低、带宽。易与水匹配等特点。•超磁致伸缩稀土材料Terfenol-D：铽、镝、铁三元稀土合金Tb0.3Dy0.7Fe2，70年代由美国海军防卫研究所（NOL）A.E.Clark博士研制优点：应变值比镍大40-50倍，比PZT大5-8倍能量密度比镍大400-500倍，比PZT大10-14倍声速低、尺寸小，居里点高缺点：材质脆、机械加工困难、高频涡流损耗大价格贵（2万元/公斤）3.按结构形式分类•压电元件：圆片、圆管、方片、球•弯曲圆盘:双叠片、三叠片•复合棒：纵振动、夹心式、TONPILZ换能器•镶拼圆环换能器：•弯张换能器：•矢量水听器：声压、振速优点：低频小尺寸形成指向性解决拖曳线列阵左右舷模糊问题•光纤水听器：根据声波使光导纤维产生相位调制或强度调制的原理设计的优点：灵敏度高、频带宽抗电磁干扰-140dB四、理论分析方法1．等效电路法将换能器看为做机械振动的弹性体，依据波动理论可以得到它的机械振动方程；根据电路的规律可以得到电路状态方程；根据压电方程和机电类比可以建立换能器的机电等效图，换能器的工作特性和参数就可以通过机电等效图求得。优点：物理意义明确缺点：通常是一维分析，适合于简单结构2．瑞利法（能量分析法）首先确定所要研究的振动模式及其振动位移分布，再利用它求出该模式的动能和位能的关系式，最后用来确定该模式应具有的频率。用于分析弯曲圆盘换能器3．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。优点：⑴分析任意结构的换能器⑵结果直观、准确⑶工作状态仿真⑷应用广泛4．边界元法根据积分定理，将区域内的微分方程变成边界上的积分方程，将边界离散成有限个单元，把边界积分方程离散成代数方程，最后变为计算关于节点未知量的代数方程组问题。优点：边界划分单元，问题降一维缺点：不能模拟复杂结构换能器内部的精细结构和复杂振动应用：简单换能器和已知表面振速分布任意表面）的辐射声场计算注意！换能器的设计不是一种准确的设计某些指标误差要超过100%五、换能器的应用与发展趋势1．应用101001k10k100k1M10M100M压电复合材料压电片复合棒换能器圆管换能器弯张换能器低频谐振器厚膜压电穿孔板海洋声学水声对抗猎雷图象声纳超声图象2．发展趋势•发射：低频、大功率、宽带、深水、小尺寸•接收：矢量接收、高灵敏度、微型化六、水声换能器的技术特点•有源材料：压电材料、磁致伸缩材料•无源材料：吸声、反声、透声、去耦、结构理论设计和结构设计加工、装配、灌封1．材料技术2．设计技术3．制作技术七、水声换能器课程的主要内容•压电陶瓷的物理性能和压电方程•压电陶瓷换能器设计（等效电路法）•水听器的分析与设计•有限元方法•新型换能器•换能器与基阵的指向性习题一、概念题1．换能器2．等效电路法3．有限元法二、简答题1．声纳方程中有哪些参数与换能器有关?2．等效电路法、有限元法、边界元法的优缺点3．换能器的发展趋势？4．换能器的研究包括哪几方面的技术？5．瑞利法最早被用于分析那种类型的换能器？6．请说出几种常用的换能器？7．请说出几种常用的换能器基阵？结束