水声换能器
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。
水声换能器及基阵 - 绪论
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
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。
水声换能器的背景与发展现状
为什么需要宽带？
换能器的带宽对信号传输有着非常重要的影响。在频域， 影响传输声信号的频谱；在时域，影响信号的波形。
宽带的好处
1.换能器能够宽带发射，使发射信号不局限于单频脉冲， 还可以发射调频信号。
2.对于通讯声纳和水下机器人，宽带换能器可以提高信号 的传输速率、提高通讯的可靠性和保密性、降低误码率。
为什么需要大功率？
远程声呐必然要求声呐具有很大的声功率 ，根据文献，在100Hz若要得到210dB（ 参考1μPa.m）声源级需要4×103W的辐 射声功率而在低频时辐射声阻抗中阻的分 量很小，导致辐射到水中的的声功率非常 小，即使机械换能效率很高，总效率也将 是低的，因而想要得到200dB以上的声源 级具有相当的难度。
多模耦合拓展带宽的原理
能够产生多模多谐振的方法主要是在一个振动系统中产生 两种以上模态的振动或者是调节一种模态的二次、三次倍 频与基频间隔。不同模态或阶次的组合频率响应不产生间 断和过深的凹谷以实现换能器宽带工作 。
各种Tonpilz换能器
带匹配层纵振振动换能器
混合激励换能器
双前盖板换能器
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
纵弯耦合换能器
6、弯曲圆盘换能器
该换能器中间是金属片，正反两面粘附着压电陶 瓷圆片，利用压电陶瓷的厚度振动带动金属片的 弯曲振动，从而实现低频发射。
与之类似的三叠片换能器广泛应用于石油测井行 业。
四、水声换能器的测量
大型消声水池
桁车测量系统
换能器实验测量系统
谢谢
（4）弯张换能器的不利方面是：不适合大深度工作，原 因是传统的弯张换能器直接对壳体施加预应力，在深水中， 巨大的静水压力作用在壳体上，减少了有源材料的预应力， 从而使有效功率降低。
水声换能器研究现状与发展
Journal of Sensor Technology and Application 传感器技术与应用, 2023, 11(2), 194-201 Published Online March 2023 in Hans. https:///journal/jsta https:///10.12677/jsta.2023.112021水声换能器研究现状与发展吴锐锋，王一博，胡童颖，崔廷放广州海洋地质调查局，广东 广州收稿日期：2023年1月3日；录用日期：2023年3月22日；发布日期：2023年3月31日摘要水声换能器在现代海洋军事与海洋资源开发中有着举足轻重的地位。
本文通过阐述水声换能器功能性材料技术、换能器、水听器技术取得的国内外领先成果和应用现状，最后对我国水声换能器的发展动态谈些认识与展望。
关键词水声换能器，水听器技术，发展动态Progress and Development of Underwater Acoustic TransducerRuifeng Wu, Yibo Wang, Tongying Hu, Tingfang CuiGuangzhou Marine Geological Survey, Guangzhou GuangdongReceived: Jan. 3rd , 2023; accepted: Mar. 22nd , 2023; published: Mar. 31st , 2023AbstractUnderwater acoustic transducer plays a pivotal role in modern marine military and marine re-source development. This paper expounds the leading achievements and application status of un-derwater acoustic transducer functional material technology, transducer and hydrophone tech-nology at home and abroad, then give the development trends of underwater acoustic transducer.KeywordsUnderwater Acoustic Transducer, Hydrophone Technology, Development Trends吴锐锋等Copyright © 2023 by author(s) and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0)./licenses/by/4.0/1. 引言当今世界各国积极发展海洋军事的战略中不难发现，探测安静型、隐形化目标，发展海洋装备从而加强海上防御能力，都是不可或缺的一部分。
水声实验
-20
-30
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
-40
-45
-15
2.4
1.6
0.9
0.7
2.8
TL
距离 20
30
34.2 40
45
50
55
60
65
Vp（V） 5
4
4
3
2.6
2.4
2.2
2
1.8
距离 70
Vp（V） 1.6
L=151.4cm B=121.7cm H=88.7cm D=34.2cm Q=15 τ≤min()
声源级和传播损失
p(r) SL 20 log
P0
A
r
20 log 20 log
P0r0
r0
式中 P0 1Pa , r0 1m 。由上式可见，右边第一项为常数，它表示声源 强度等于离源中心 1m 处得声压级。可见，在声压和距离的双对数坐
标系统中，上式为一直线，并且距离每增加一倍，声压级减少 6dB。
一、实验内容：
心,否则发射器和接收器间距必须比有效声中心和转轴间距大 100 倍。发射器和
接收器的间距要满足远场条件。
将频率为待测水听器相应工作频率 f 的电信号加到辅助发射器上,且保持发
射声场恒定不变。转动待测水听器,记下各个方向上水听器的输出电压。
信号源
示波器
功率放大器
测量放大器
发射换能器
实验水槽 水听器
图 1 测量系统连接示意图
根据声压随球面波衰减及 SL 的定义式可得到 SL 的测量式如下 SL(R) PL(R) 20lg(R)
20 lg(电压有效值 ) 203 - 20lg(测放) 20lg(R)
测量用水声换能器-精品文档
②标准水听器每年应经计量部门检定一次。
③检查水听器的绝缘电阻时，试验电压不小于100v。 ④注意存放环境，用完后妥善保管。 ⑤选用低分布电容电缆。
2.水声发射换能器
（1）分类
同水听器。
（2）发射器介绍
（3）参数：
① 发射换能器发送响应
② 发射换能器指向性 ③ 发射换能器电阻抗 ④ 输入电功率、发射声功率和电声效率
一、二级标准水听器声学性能指标
灵敏度
• 指在水听器输出电缆末端测得的声压灵敏 度或自由场低频灵敏度。 • 按照国家标准规定用于1Hz~100kHz频率 范围的压电型标准水听器（以下同）： • 一级： 不低于-205dB(0dB re 1v /μ Pa) • 二级： 不低于-210dB（0dB re1v/μ Pa）
灵敏度校准及其准确度
• 低频段应用国标GB4130-84中规定的一级校准方法进 行校准，其校准准确度优于±0.5dB；高频段应用国标 GB3223-82中规定的互易法进行校准，其校准准确度 应优于±0.7dB。
• 低频段应用国标GB4130-84中规定的二级校准方法进 行校准，其校准准确度优于±1.0dB；高频段应用国标 GB3223-82中规定的比较法进行校准，其校准准确度 应优于±1.5dB。
在参考方向上（通常指声轴向）远场中某点的声强（或声
压有效值平方）与相同距离上各方向的声强平均值（或声压有
效值平方的平均值）之比为发射指向性因数，此比值的分贝数 称为发射指向性指数。
输入电功率、发射声功率和电声效率
指向性
一级：
水平指向性：在最高使用频率下的-3dB波束宽度应大于300，在 选定方向（或主轴）±50的范围内灵敏度变化应小于±0.2dB。 垂直指向性：在最高使用频率下的-3dB波束宽度应大于150，在
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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。