水声换能器及基阵 - 绪论
水声学原理 (2)
水声学underwater acoustics简史水声换能器和参量阵水声换能器水声换能器的进展水声参量阵声波在海洋中的传播和声场数值预报传播损失水下声道理论方法深海中的声传播浅海中的声传播声场数值预报水声场的背景干扰噪声海洋中的混响信号场的起伏和散射海面波浪引起的声起伏湍流引起的声起伏内波引起的声起伏目标反射和舰船辐射噪声水下目标反射舰船辐射噪声水声信号处理-声学的一个分支学科。
它主要研究声波在水下的产生、传播和接收，用以解决与水下目标探测和信息传输过程有关的声学问题。
声波是已知的唯一能够在水中远距离传播的波动,在这方面远比电磁波(如无线电波、光波等)好,水声学随着海洋的开发和利用发展起来，并得到了广泛的应用。
简史1827年左右，瑞士和法国的科学家首次相当精确地测量了水中声速。
1912年“巨人”号客轮同冰山相撞而沉没，促使一些科学家研究对冰山回声定位，这标志了水声学的诞生。
美国的R.A.费森登设计制造了电动式水声换能器(500～1000Hz)，1914年就能探测到2海里远的冰山。
1918年，P.朗之万制成压电式换能器，产生了超声波,并应用了当时刚出现的真空管放大技术,进行水中远程目标的探测，第一次收到了潜艇的回波，开创了近代水声学，也由此发明了声呐。
随后，水声换能器的革新，关于温度梯度影响声传播路径的机理、声吸收系数随频率变化等水声学研究的成就，使声呐得以不断改进，并在第二次世界大战期间反德国潜艇的大西洋战役中起了重要作用。
第二次世界大战以后,为提高探测远距离目标(如潜艇)的能力,水声学研究的重点转向低频、大功率、深海和信号处理等方面。
同时，水声学应用的领域也越加广泛，出现了许多新装置，例如:水声制导鱼雷,音响水雷，主、被动扫描声呐,水声通信仪，声浮标，声航速仪,回声探测仪,鱼群探测仪,声导航信标,地貌仪,深、浅海底地层剖面仪，水声释放器以及水声遥测、控制器等。
水声作为遥测海洋的积分探头，在长时间内大面积连续监测海洋的运动过程以及海洋资源概念也已初步形成。
第三讲让声纳系统耳目一新新型水声换能器与换能器新技术
机理的新型水声换能器，宽带换能器新技术等等；对于接收型换能器着重介绍了光纤水听器和矢量水听器．
关键词
换能器，光纤水听器，矢量水听器
Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｓ ｆｏｒ ｓｏｎａｒ：ｎｅｗ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎｓ ｆｏｒ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ
Ｍ０ Ｘｉ—Ｐｉｎｇ十
Ｎｏｖｅｌ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ ｗｉｔｈ ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｏｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｅｎｅｒｇｙ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ，ａｎｄ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｒｅｃｅｎｔ
ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ｂｒｏａｄｂａｎｄ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ ａｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ｉｎ ｔｈｅ ｃａｔｅｇｏｒｙ ｏｆ ｒｅｃｅｉｖｅｒ ｔｙｐｅ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｉｓ ｆｏ—
图３ ＰＭＮ—ＰＴ—ＢＴＩＶ型弯张换能器
２．３压电聚合物薄膜水声换能器 压电聚合物可以制成柔性膜，制作换能器时可
以设计成任意形状，并且材料的声阻抗率低，容易与 水等流体介质及生物组织实现阻抗匹配，常用来制 作高频标准水听器、高频换能器、医学超声换能器、 共形基阵及多元化复合换能器阵等．制作换能器的 常用压电聚合物主要是聚偏氟乙烯（ＰＶＤＦ）．目前 更引人注目的压电聚合物材料薄膜ＥＭＦｉ（ｅｌｅｃｔｒｏ— ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｆｉｌｍ的缩写），是一种聚丙烯泡沫柔性薄
由若干个稀土棒围成正多边形通过过渡件激发一系列圆弧面作径向振动实现大功率声辐射研制了一系列稀土低频大功率圆环型换能器其中包括谐振频率为换能器内径外径高度声源重量和谐振频率为器直径高度声源级重量弯张换能器是利用压电陶瓷堆或磁致伸缩棒的纵振动来激励具有振幅放大效应的外壳或桶条梁辐射面作弯曲振动的一类换能器图中列举了几种常用类型的弯张换能器其中型具有共同特点由纵振动棒激发旋转对称弯曲壳体壳体可以是连续结构也可以是切缝加工成一组梁的结材料研制了凹型桶条梁弯张换能器型谐振频率为声源级为带宽为由于采用单棒开放磁路在谐振频率下交流电声效率最大仅为换能器重型鱼唇式弯张换能器具有共同特点换能器由纵振动棒激发凸形或凹形椭圆壳体的弯曲振动实现大功率辐射其中鱼唇式弯张换能器采用了振幅放大效应与面积加权作用提高了声辐射功率文献报道了这种新型低频大功率水声换能器包括谐振频率为的换能器研究成果目前这种新型换能器应用于低频主动声纳阵声学目标声源噪声模拟器等声学系统弛豫铁电材料水声换能器弛豫铁电材料是一类颇有潜力的功能材料可分为电致伸缩陶瓷类型和弛豫铁电单晶类型弛豫铁电单晶比电致伸缩陶瓷材料制作工艺要复杂得已有研究者用这类材料制作了多种类型换能器如弯张换能器纵向换能器等这类材料的换能器制作技术比较复杂需要加直流偏置电场施加预应力控制工艺温度等文献利用型弯张换能器见图文献报道的研究成果表明所研制的换能器还没有最大限度地发挥材料的潜力这方面的工作在今后一个时期内仍是水声换能器领域需要深入探索的热点问题之韩国公司和公司超声探头用于医用彩色超声成像设备暗示了弛豫铁电单晶材料在高频图像声纳中的应用前景型弯张换能器压电聚合物薄膜水声换能器压电聚合物可以制成柔性膜制作换能器时可以设计成任意形状并且材料的声阻抗率低容易与水等流体介质及生物组织实现阻抗匹配常用来制作高频标准水听器高频换能器医学超声换能器共形基阵及多元化复合换能器阵等制作换能器的常用压电聚合物主要是聚偏氟乙烯目前更引人注目的压电聚合物材料薄膜倍可用来制作高灵敏度换能器文献研制了如图所示结构薄膜换能器接收面直径为换能器接收灵敏度大于参考值为这种换能器还可在空气中使用接收或发射声波压电薄膜换能器新结构水声换能器与各种换能机理介绍功能材料在换能器中固然重要但是需要通过合适的结构来发挥作用因此换能器的结构设计在换能器技术发展中显得尤其重要根据不同的应用领域以及多方面的技术需求或者根据不同的换能机理与功能材料
海洋论坛▏水声换能器研究进展
海洋论坛▏水声换能器研究进展一、引言声波是迄今为止人类所掌握的唯一能在海洋中远距离传递信息与传播能量的载体，水声技术也因此成为水下通讯导航、水产渔业、海洋资源、海洋地质地貌、军事武器等领域的重要手段。
水声换能器的使命即是在一定频带内按规定的信号形式激发产生声波和不失真地感知与接收水中声波信号，由此换能器也被人们形象地喻为声纳系统的“耳目”。
随着水声技术应用领域的不断拓展与延伸，在海洋资源探测开发的技术竞争、军事对抗及全面感知地球的迫切需求背景下，水声换能器技术的飞速发展成为声纳技术发展的重要前提，新材料技术、精细加工技术、基础工艺技术以及数值计算分析技术等为换能器技术的快速发展提供了物质基础和技术条件。
其中有关新材料、新机理、新结构换能器的发展情况曾在相关综述文章中分别描述过，本文就笔者所掌握的资料和有限的理解水平简要地综述几种典型结构类型换能器近些年的发展状况，主要包括：弯张换能器、圆柱面辐射型换能器、纵向换能器等等。
二、弯张换能器设计研究的新思想及技术动态弯张换能器分为许多类型，其中IV 型弯张换能器是由纵向振子驱动椭圆形外壳做弯曲振动的一类换能器结构形式，常被用于低频大功率发射声源或设计低频主动声纳，如美国海军的拖曳式低频主动声纳（SURTASS-LFA），采用18只大功率IV型弯张换能器组成垂直发射阵，工作频带100～500Hz，声源级220～235dB。
单只换能器用两台S11-48型功率放大器驱动，输出电压1600V，最大声源级215dB。
关于IV型弯张换能器设计改进主要体现在对驱动振子的优化和宽带设计上，有关文献设计了一种长轴加长型结构（图1），以新型弛豫铁电单晶铌镁酸铅—钛酸铅（PMNT）材料叠堆为驱动元件，这种结构思想使换能器在保持频率低、响应高等优点的同时，显著拓宽了工作带宽。
图1 长轴加长型宽带弯张换能器鱼唇式弯张换能器是我们近些年研究的一种新结构弯张换能器，采用变高度椭圆壳体，这样的壳体兼有振幅放大和高度加权放大的“双重放大”作用，采用T erfenol-D超磁致伸缩材料驱动和溢流腔结构，?3dB带通Q值小于3，采用了溢流腔填充顺性材料可获得较大的工作深度，该型换能器目前已经得到广泛应用，谐振频率可以从100Hz覆盖到1.8kHz，单只换能器谐振频率下声源级在190dB以上，图2给出其中两例换能器实物照片，系列换能器中几何尺寸最小的为长轴80mm，最大的长轴大于1m。
水声学原理PPT--绪论1
俄罗斯D级弹道导弹核潜艇
水声学基础——序论 16
1. 水声学研究的意义 英国
英国最新战略核潜艇-警戒
英国是世界上 第三个拥有核 武器的国家， 英国的核力量 全部为海基， 目前拥有战略 导弹核潜艇4艘， 每艘可携带16 枚“三叉戟” 弹道核导弹， 每枚可携载14 枚分弹头，射 程达12000公 里
哈尔滨船舶工程学院出版社，1990
2017/10/23 水声学基础——序论 5
课程特点
该课程与以往所学课程在课程内容与教学方 法上均有不同，主要表现在：
1. 注重数学建模； 2. 在数理方程与特殊函数的基础上进行讨论，理论上 有难度；
3. 注重试验，在试验的基础上进行总结，得出普遍性 的理论结果；
2017/10/23 水声学基础—Leabharlann 序论 2课程内容序论
第一章
第二章
声学基础
海洋的声学特性
第三章
第四章
海洋中的声传播
典型传播条件下的声场
第五章
第六章 第七章
2017/10/23
声波在目标上的反射和散射
海洋中的混响 水下噪声
水声学基础——序论 3
课程成绩
平时到课：10 平时作业：20
考试成绩：70
被潜艇击沉的潜艇80艘
在第二次世界大战中，德国“U-47”号潜艇于1939年 10月潜入英国位于苏格兰北部的海军基地，在港内击
沉了英国的排水量达33000多吨的大型战列舰“皇家
橡树”号，创造了军事史上的奇迹
2017/10/23 水声学基础——序论 13
1. 水声学研究的意义 美国
美国是世界上 潜艇技术领先、 数量最多的国 家，共拥有潜 艇70余艘，全 部为核动力潜 艇，其中，战 略导弹核潜艇 近20艘、攻击 型核潜艇50余 艘
水声换能器
一、1-3-2型复合材料矩形线列换能器阵(1) 矩形线列换能器阵结构利用1-3-2型复合材料阵元组成的矩形线列换能器阵结构见图1，该线列阵由四片矩形1-3-2复合材料阵元构成，阵元沿直线紧密排列。
四个1-3-2型复合材料阵元的外形尺寸、内部结构完全相同，均为25mm×25mm×5mm的矩形薄片，内部结构的每个周期中陶瓷柱截面为0.84mm×0.84mm，环氧树脂宽为0.43mm，陶瓷基底厚为0.5mm。
1-3-2型复合材料矩形线列换能器阵的其它辅助部件包括换能器外壳、背衬、解耦材料、聚氨酯、电极引线和电缆等。
其中外壳材料选用金属黄铜，形状为上部敞口的长方体空盒，外形尺寸为114mm×33mm×15mm，四面侧壁厚度为2mm，底座厚6mm，其中开有83mm×4mm×3mm 的走线槽。
另外，底座中心还有一直径3mm的通孔，用于同轴电缆穿过。
外壳的作用主要是定位阵元，承受压力和抗腐蚀等。
设计中采用硬质泡沫塑料作为换能器的背衬和边条，背衬和边条厚度均为2mm，复合材料阵元通过环氧粘接剂粘在背衬上，背衬具有反声、绝缘的作用；每个阵元四周由硬质泡沫边条将阵元之问、阵元与外壳之间隔离，目的是解耦和绝缘。
另外，背衬和边条还起到定位复合材料阵元的作用。
换能器阵元上表面，即换能器辐射面被覆有2mm厚的聚氨酯匹配层，用于防水、透声。
图1矩形线列换能器阵结构(2) 矩形平面阵结构图2矩形平面阵结构(a)整体结构(b) 剖面结构(c) 外壳结构(3) 圆柱形换能器(b)图3圆柱形换能器参考附件中李莉的毕业论文112-128页二、平面水听器及双激励加匹配层换能器（非压电复合材料）参考杭州应用声学所三、tonpliz型水声换能器（非压电复合材料）参考西北工业大学四、低旁瓣水声换能器参考中国海洋大学五、侧扫声纳系统结构图参考中科院声学所。
(完整版)水声换能器的基础知识
水声换能器基础知识地球表面积的71%是海洋，海洋里蕴藏着丰富的生物和矿物质资源，是人类今后生存和发展的第二个空间。
而声纳这一水下探测设备则是人类开发海洋的重要帮手，更是海军和民用航海事业不可缺少的组成部分。
声纳设备的功能，就是收听水下有用信号并把它转变为电信号以供视听；或者自身产生一个电信号再转变为声信号在水介质中传播，遇到目标后反射回来再进行接收，转变为电信号供收听或观察，由此来判断被测物体的方位和距离。
在这个水下电声信号的转换过程中，关键设备就是水声换能器或是换能器阵。
1. 水声换能器的应用目前，水声换能器已经普遍地应用到工业、农业、国防、交通和医疗等许多领域。
这里仅介绍几种在水下探测方面的应用：（1）在测深方面的应用：为保证航行安全，无论是军舰或是民船都要安装测深声纳；专门的航道检测船只都配备精度高、功能齐全的测深仪。
根据测深深度的不同，测深换能器的频率和功率也相差甚远。
以频率范围在10kHz~200kHz的较多，功率从数瓦到数十千瓦不等，其中，高频小功率用于内河或浅海，低频大功率用于远洋、大深度。
对这类换能器的要求是波束稳定、主波束尖锐。
（2）在定位和测距方面的应用：测量航船对地的航行速度，大多采用多普勒声纳，利用四个性能相同的换能器分别排列与龙骨相垂直的左右舷方向上。
一般工作频率在100kHz~500kHz。
（3）在海洋考察和海底地层勘探方面的应用：海底地质调查主要采用低频大孔径声纳。
拖曳式声纳是当今装在活动载体上最大尺寸的声学基阵，作用距离也最远。
水中成像方面，通常采用高频旁视声纳，在船底左右舷对称地沿龙骨平行方向装两个直线基阵，各自向海底发射扇形指向性声束，然后接收来自海底的反射波，由于海底凹凸不平反射波强度有别，在显示图像上就会出现亮度不同的图像，因为工作频率较高，声信号衰减较快，作用距离不远，现在试验的频率范围为数十千赫到500千赫。
2. 水声换能器的分类换能器按照不同的机电能量转换原理可以分为电动式、电磁式、磁致伸缩式、静电式、压电式和电致伸缩式等。
(完整版)水声换能器的基础知识
水声换能器基础知识地球表面积的71%是海洋，海洋里蕴藏着丰富的生物和矿物质资源，是人类今后生存和发展的第二个空间。
而声纳这一水下探测设备则是人类开发海洋的重要帮手，更是海军和民用航海事业不可缺少的组成部分。
声纳设备的功能，就是收听水下有用信号并把它转变为电信号以供视听；或者自身产生一个电信号再转变为声信号在水介质中传播，遇到目标后反射回来再进行接收，转变为电信号供收听或观察，由此来判断被测物体的方位和距离。
在这个水下电声信号的转换过程中，关键设备就是水声换能器或是换能器阵。
1. 水声换能器的应用目前，水声换能器已经普遍地应用到工业、农业、国防、交通和医疗等许多领域。
这里仅介绍几种在水下探测方面的应用：（1）在测深方面的应用：为保证航行安全，无论是军舰或是民船都要安装测深声纳；专门的航道检测船只都配备精度高、功能齐全的测深仪。
根据测深深度的不同，测深换能器的频率和功率也相差甚远。
以频率范围在10kHz~200kHz的较多，功率从数瓦到数十千瓦不等，其中，高频小功率用于内河或浅海，低频大功率用于远洋、大深度。
对这类换能器的要求是波束稳定、主波束尖锐。
（2）在定位和测距方面的应用：测量航船对地的航行速度，大多采用多普勒声纳，利用四个性能相同的换能器分别排列与龙骨相垂直的左右舷方向上。
一般工作频率在100kHz~500kHz。
（3）在海洋考察和海底地层勘探方面的应用：海底地质调查主要采用低频大孔径声纳。
拖曳式声纳是当今装在活动载体上最大尺寸的声学基阵，作用距离也最远。
水中成像方面，通常采用高频旁视声纳，在船底左右舷对称地沿龙骨平行方向装两个直线基阵，各自向海底发射扇形指向性声束，然后接收来自海底的反射波，由于海底凹凸不平反射波强度有别，在显示图像上就会出现亮度不同的图像，因为工作频率较高，声信号衰减较快，作用距离不远，现在试验的频率范围为数十千赫到500千赫。
2. 水声换能器的分类换能器按照不同的机电能量转换原理可以分为电动式、电磁式、磁致伸缩式、静电式、压电式和电致伸缩式等。
水声学-绪论2
处理器处的电信号的信噪比： 处理器处的电信号的信噪比： （SL-2TL+TS）-（NL-DI） ）（ ）
23
主动声纳方程（噪声背景）： 主动声纳方程（噪声背景）： （SL-2TL+TS）-（NL-DI）=DT ）（ ）
常识：船用声纳 为几百瓦~几千瓦 几千瓦， 常识：船用声纳Pa为几百瓦 几千瓦，DIT 约为210~240dB。 为10~30dB，SL约为 ， 约为 。
9
2.2 传播损失TL（Transmission Loss） 传播损失 ）
传播损失TL定量描述声波传播一定距离后声强度的 传播损失 定量描述声波传播一定距离后声强度的 衰减变化
I r=1 = P 4π W m a
(
2
)
1）无指向性声源辐射声功率与声源级的关系： 无指向性声源辐射声功率与声源级的关系：
SL =10lg P +170.77 a
8
2）指向性声源辐射声功率与声源级的关系： 指向性声源辐射声功率与声源级的关系：
SL =10lg P +170.77 + D T I a
18
对于几何形状简单的换能器阵， 对于几何形状简单的换能器阵，可用阵尺寸来表示它的 DI值。 值
sin(πL / λ sin θ ) πL / λ sin θ
2
19
2.7 检测阈DT 检测阈 （Detection Threshold） ）
声纳设备接收器接收声纳信号和背景噪声，两部分的 声纳设备接收器接收声纳信号和背景噪声， 声纳信号 接收带宽内的信号功率或均方电压与1Hz带宽 比值即接收带宽内的信号功率或均方电压与 比值即接收带宽内的信号功率或均方电压与 带宽 或接收带宽）的噪声功率或均方电压的比， 内（或接收带宽）的噪声功率或均方电压的比，它影 响设备的工作质量，比值越高，设备就能正常工作， 响设备的工作质量，比值越高，设备就能正常工作， 判决”就越可信。 “判决”就越可信。 检测阈DT是设备刚好能正常工作所需的处理器输入端 检测阈DT是设备刚好能正常工作所需的处理器输入端 DT 的信噪比值 定义： T 定义： D =10lg
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利用低声速、大应变功能材料：Terfenol-D
Material properties
Terfenol-D
Young's modulus（GPa）
30
Maximum strain（106 ）
1500-2000
Energy Density（ J / m3 ）
14000-25000
Wave speed（m/s）
能量所携带的信息（频率、幅度、相位等）重现.
Input electric signal
Output acoustic signal
Vice versa! Transducer is reciprocal.
水声换能器
Projector/transducer/transmitter (Electric signal → Acoustic signal)
ka 1
High power
Broadband
如何解决这些矛盾？从增加振动位移、辐射阻上入手
利用弯张换能器的位移放大效应
Displacement amplification effect of flextensional transducer
lever
压电堆在长轴方向上的振动位移，通过杠杆效应，在椭圆壳短轴方向放大了数倍
Inverse piezoelectric effect
������ = ������������3
������������3 = ������
1 2
������������������
2
=
������������
Voltage→electric field→strain→displacement→vibration in water→sound radiation
Above and below Curie point
衡量压电性的主要参数-压电常数
������3 = ������33������3
������3 = ������33������3
������3
=
������������3 ������������
������������
=
1 2
������������������32
通常使工作电场平行于3方向，以使用d33.
特别提醒!
压电陶瓷质地上硬脆、易碎!
使用压电陶瓷换能器时，务必轻拿轻放、不可磕碰！
4. 水声换能器是怎么工作的?
所有弹性结构体都有自身模态. 通常，换能器工作在某种模态的基频. 这些振动模态由功能材料激励出来.
棒的纵振动模态
圆环的径向振动模态
Operating frequency 2kHz-100kHz 200Hz-2kHz
200Hz-5kHz 200Hz-1000Hz
500Hz-50kHz
5Hz-5kHz
Source level Directivity Bandwidth Operating depth
＞200 dB
Good
1-2 octaves Several
1500-2000
Energy Density（ J / m3 ）
14000-25000
Wave speed（m/s）
1690
Electromechanical coupling coefficient k33
0.72
PZT-8 PMN-PT
80
101
250
500
2500
12630
4500
4500
0.5-0.6
1690
Electromechanical coupling coefficient k33
0.72
PZT-8 PMN-PT
80
101
250
500
2500
12630
4500
4500
0.5-0.6
0.9
Low wave speed → low resonant frequency Large strain, energy density → high power
为增加声功率，获得更好的指向性 海军应用领域，水声换能器基本上都是成阵使用.
Various arrays
水听器
工作频段：远低于谐振频率以下的准静态频段. 标准水听器: 灵敏度高、响应平坦、时间温度稳定性.
Standard hydrophone produced by B&K
水声换能器的发展趋势
如何设计换能器?
理论设计- 等效电路法 有限元设计- ANSYS, COMSOL, ATILA
Equivalent circuit of transducer
Finite model and analysis results
如何选择和使用水声换能器？
熟悉了解各种换能器的基本特点. 保持与换能器设计者沟通，在某些非关键指标上折中. 使用换能器前，请一定要细细阅读说明书.
Class IV flextensional transducer
Class I flextensional transducer and its components
Helmholtz 换能器
低频, 大功率, 深水 声放大: 驱动源辐射面的声阻被放大，输出的声功率增加.
Several Helmholtz transducers are driven by various transducers
低频, 小尺寸, 大功率, 宽带, 深水 而在理论上，大功率与低频、小尺寸是矛盾的.
������������
=
1 2
ห้องสมุดไป่ตู้
������������ ������
2
������������ 2 ������������ = ������0������0������0 4
Small size
Low frequency
结构紧凑, 宽带, 大功率, 深水, 指向性好. 目前舰艇的艏部声纳主要用Tonpilz换能器组成大型基阵.
Tonpilz transducer and its components
弯张换能器
低频, 小尺寸, 大功率 宽带和深水性能不佳.
Sketch of various classes of flextensional transducers
◆有句经典的广告语：没声音，再好的戏也出不来. ◆任何从事水声技术研究的科研人员，都会用到水声换能器，都 应学习一些换能器的基础知识和应用技巧.
3. 为什么水声换能器能够转换能量？
其中的功能材料是关键
Piezoelectric ceramic (PZT)
Rare earth alloy (Terfenol-D)
弯曲圆盘换能器
低频, 小尺寸, 中等功率 组成密排阵，大幅度降低基元的谐振频率
Flexural disk transducers and close array
圆环换能器
溢流或充油 大功率, 宽带, 深水
Integrated ring
Segmented ring
电动式换能器
超低频, 超宽带 声辐射性能随深度变化
板的弯曲振动模态
水声换能器的主要技术指标
工作频率/共振频率 发送电压响应级 声源级 带宽 指向性 工作深度 灵敏度（对于水听器） …
水声换能器分类
Tonpilz /纵振动换能器
弯张换能器
Helmholtz 换能器
弯曲圆盘换能器
圆环/圆管换能器
电动式换能器
Tonpilz 换能器
水声换能器及基阵
桑永杰 副教授（sangyongjie@） 水声工程学院
绪论
1. 几个水声换能器的基本问题 2. 水声换能器的主要技术指标 3. 水声换能器的分类 4. 其他
1. 什么是水声换能器?
广义的讲，任何能够实现能量形式转换的器件都可称为换能器. 在水声技术领域，它指的是实现电能和声能相互转换的器件，并且能实现
J series and UW350 moving coil projectors
Performance summary for the above transducers
Tonpilz
Flextensional Flexural disk
Helmholtz
Free flooded Ring Moving coil
0.9
低声速→ 谐振频率低 大应变和功率密度→ 大功率发射
Terfenol-D 是目前很有前景的功能材料，适合用 于低频、大功率水声换能器.
Magnetostrictive effect Magnetostriction transducer
目前最常用的功能材料—压电陶瓷
Direct piezoelectric effect
kilometer
＞190 dB No
10-30% ＜200 m
＞180 dB No
10-30% ＜200 m
＞190 dB
∞ No or
＜10% Unlimited
＞190 dB
∞ or 8
1 octave Unlimited
＜180 dB
No More than 3
octaves ＜200 m
换能器基阵
剩余极化
居里温度（居里点）: Tc
温度超过一定值，压电陶瓷的压电性会消失，这个值称为居里温度. 一旦超过居里温度，压电陶瓷的电畴取向重归混乱，因此失去的压电性不会自
动回来. 一定要注意：大功率连续发射时，损耗导致的热量越聚越多，温度可能接近居
里点. PZT-4的居里点： 380°C