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
换能器技术PPT课件
钛酸钡压 电陶瓷
锆钛酸铅 压电陶瓷 系列(PZT)
稀土超磁致 伸缩材料
（Terfenol-D）
弛豫铁电单晶
（PMN－PT 和PZN—PT ）
如石英，1917 年，朗之万制 成第一个实用
换能器
1950s，机电转 换效率高，工作 温度宽，至今仍 是主力功能材料
1997，压电系数、机电耦合系数比通 常的锆钛酸铅压电陶瓷PZT（d33＝ 600pC/N,k33=70%）高出许多，分 别达到2000 pC/N和92％以上。其应 变量比通常的压电陶瓷高出10倍以上，
指向性圆管换能器模态分析结果
指向性圆管换能器流体中有限元模型
声场分布图
用云图表现动态位移分布
模拟静水压环境下壳体应力分布
电导纳曲线
发射电压响应曲线
优点：分析任意结构的换能器 。 结果直观、准确 ，结构优化方便有效 ，工程应用最广泛。
设计换能器必须掌握的几种计算机辅助工具
有限元分析软件 ANSYS、ATILA等,进行结构优化、电声性能预报等 科学计算软件 Matlab等，进行数值运计算。 工程制图软件 AutoCAD、SolidWorks，构画图纸进行机械加工
达到了1.7％
其他：压电聚合物（PVDF)、 压电复合材料等
C.按结构分
◆ 复合棒换能器（朗之万换能器、Tonpilz换能器）
复合棒换能器分解图
ngevin
后盖板采用重金属，前盖板采用轻金属，获取较高的前后振速比； 预应力螺栓施加预应力，可实现大功率输出； 前盖板呈喇叭形，可增加辐射面积，调节Q值。
类型
工作频率
带宽
声源级
指向性
复合棒换பைடு நூலகம்器 弯张换能器
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
一文读懂换能器
一文读懂换能器一文读懂换能器文| 传感器技术（WW_CGQJS）换能器的英文名称是transducer，用于实现不同形式的能量相互转换的仪器或器件可以通称为换能器。
例如：电能与声能转换、电能与磁能转换、电能与机械能转挨、电能与光能转换、电能与化学能转换、电能与热能转换等等，在水声领域中常把声呐换能器、水声换能器、电声换能器统称换能器。
水声换能器水声换能器是完成水下电声信号转换的器件，它是电子设备与水下信号声场间相互联系的纽带。
鉴定一部水声仪器性能的好坏，往往是首先看它的换能器性能如何。
水声换能器的分类按工作形式可分为发射换能器和接收换能器；按结构形式可分为球形换能器、圆管换能器、弯曲圆盘换能器、复合棒换能器、镶拼圆环换能器、弯张换能器、矢量水听器和光纤水听器等等；按电场性换能材料可分为压电单晶、压电陶瓷（如钛酸钡、PZT）、压电薄膜（如PVDF）、压电复合材料（如1-3压电复合材料）和弛豫型铁电单晶等等；按磁场性的换能材料可分为电动式、电磁式、磁致伸缩式、铁磁流体和超磁致伸缩稀土材料等等；其他：带有匹配层的换能器、电火花声源、MEMS水听器阵列和带有反声障板的声基阵。
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，由此水声换能器也被人们形象的比喻为声纳系统的“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。
水声换能器技术包含新材料、新原理、新结构和新工艺！材料技术：有源材料（压电材料和磁致伸缩材料），无源材料（吸声、反声、透声、去耦和结构）；设计技术：理论、结构和匹配设计；制作技术：加工、装配和灌封。
不同工作频率的水声换能器的应用水声换能器基阵在潜艇上的应用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”。
声呐换能器通
声呐换能器通
声呐换能器是一种在声呐系统中实现声能与其他形式的能如机械能、电能、磁能等相互转换的装置。
它具有两个主要用途：发射声波和水下接收声波。
发射换能器可以将电能或机械能转换为声波，而接收换能器则将水中的声波转换为电能或机械能，以便后续的信号处理和声呐数据的生成。
在实际应用中，声呐换能器通常同时承担发射和接收声波的任务，这使得它们能够有效地进行水下探测和目标定位。
由于水下声波的传播特性，声呐换能器在军事、海洋科学研究、水下考古等领域得到了广泛的应用。
声呐换能器的工作原理主要是基于某些材料的压电效应或磁致伸缩效应。
当电场或磁场作用于这些材料时，它们会伸长或缩短，从而产生声波或改变声波的相位。
通过精确控制电场或磁场，可以生成特定频率和波束形状的声波，实现声呐的定向探测和信号处理。
总之，声呐换能器是声呐系统中的核心器件，它能够实现声能与其他形式能量的相互转换，为水下探测和定位提供关键的技术支持。
声呐浮标换能器的技术设计
2020年第 3 期 声学与电子工程 总第 139 期32声呐浮标换能器的技术设计孙好广 程启航（第七一五研究所，杭州，310023）摘要 声呐浮标使用环境的特殊性，对换能器的要求是小尺寸、低频、大功率、高效率及高灵敏度。
发射阵阵元多采用弯曲圆盘换能器，具有结构简单、易成阵的特点，也容易进行扩展和密排成阵；扩展阵在工作时扩展成一条直线线列阵，提高了阵增益；利用互辐射原理，进行密排阵，在不降低换能器耐静水压能力的条件下，降低了发射阵的谐振频率，保持与基元相当高的电声效率。
关键词 声呐浮标；弯曲圆盘换能器；扩展阵；密排阵；水听器声呐浮标是反潜巡逻飞机、反潜直升机的重要装备之一。
在搜潜任务中，声呐浮标换能器接收到水中的声信号，并将信号转换为电信号，通过放大滤波等处理进入浮标处理系统接收机；或将电信号经发射机加到换能器上，变成声信号发射出去。
由于声呐浮标是一次性消耗品，浮标换能器低成本是核心；声呐浮标工作所需要的电能来自电池，因此换能器工作效率高是基本要求；搜潜是声呐浮标的使命，因此要求换能器工作在低频。
相对其它声呐项目换能器而言，只是没有工作寿命的要求。
对于电声转换的传感器，所用的无源材料有多种，如压电陶瓷、光纤、磁感等。
对于水声设备而言，常用的是压电陶瓷，它具有高的功率密度，可以制作大功率器件；成本较低，广泛应用水声换能器领域。
1设计要求声呐浮标换能器的基本技术要求：（1）尺寸要小，能装入浮标投放筒中，即要求直径不大于100 mm；（2）高效率，电声效率一般不低于80%；（3）成本要低，换能器占一枚浮标的价格大约10～20%；（4）一致性要求，如基元的谐振频率、接收灵敏度等要求离散性要小。
压电陶瓷发射换能器通常工作在其一阶模态频率，对于不同形状的换能器一般主要有径向振动模态、纵向振动模态、横向振动模态和弯曲模态等。
这些模态频率中，只有弯曲模态基本满足声呐浮标换能器的技术要求，部分特殊类型的浮标换能器采用圆管换能器。
新型声纳传感器的设计和制造
新型声纳传感器的设计和制造随着科技的不断发展，传感技术也在不断更新换代。
在现代战争中，声纳传感器作为一种重要的探测手段，能够对水下目标进行精确定位和跟踪，发挥着至关重要的作用。
然而，传统声纳传感器存在着工作频率狭窄、灵敏度较低等问题，这些问题严重影响了声纳传感器的探测能力。
为了解决这些问题，科技工作者开始研制新型的声纳传感器。
一、新型声纳传感器的工作原理新型声纳传感器主要利用声学原理，通过发射声波或接收声波来进行探测和分析。
与传统声纳传感器不同的是，新型声纳传感器一般采用多频段设计，可以在宽频段范围内进行工作。
这种设计可以避免频率受限的问题，提高了声纳传感器的探测精度和距离分辨率。
在新型声纳传感器中，通常采用共面阵列或交错阵列结构，可以对水下目标进行多角度、多方位的探测，增加了传感器的探测范围和深度。
同时，新型声纳传感器还采用了高灵敏度的接收器件，能够在较远距离内捕捉到微弱的声波信号，增强了系统的噪声抑制能力和目标跟踪能力。
二、新型声纳传感器的制造过程新型声纳传感器的制造过程一般分为设计、模拟、制备、性能测试、包装等环节。
在设计环节中，需要根据实际需求，确定传感器的工作频率范围、探测深度和分辨率等指标，制定合理的设计方案并进行仿真分析。
在模拟环节中，需要对传感器的电路和声学特性进行仿真模拟，并评估传感器的性能。
在制备环节中，需要将模拟设计转化为实际制造过程，选择合适的材料和工艺，利用微加工技术精细制造出声纳传感器的结构和元件。
在性能测试环节中，需要对制造出来的声纳传感器进行测试，包括灵敏度、信噪比、频率响应等方面的测试，并对测试结果进行分析和评估。
最后，在包装环节中，对传感器进行封装，保护电路和元件不被损坏，同时方便进行组装和使用。
三、新型声纳传感器的应用前景新型声纳传感器在海洋勘探、大洋科学、水下目标探测等方面有着广泛的应用前景。
在海洋勘探方面，新型声纳传感器可以对海底地形进行高精度地图绘制，区分不同海底材质，并探测出潜在的石油和天然气储层。
声呐(纳)技术 ：第三章 声呐系统的定向方法1
因而测向精度
1 1 1.4
七
二、最大值测向
2.被动接收，视觉指示
由于视觉指示（如电表摆动、幅度大小显示）时，
指示器仅指示相对声压变化，因而
g
U U
D D
1 D
0
代入
D 后
g
1 6
N
d
2
解得
2
6g
Nd
6g 0.39
2
g
一般人的眼睛可感知的相对电压幅度变化为0.05~0.1
1.被动接收，听觉指示 2.被动接收，视觉指示 3.主动测向，视觉指示 4.主动测向，听觉指示
七
二、最大值测向
1.被动接收，听觉指示 一般来说，人耳对声强是敏感的，而声强与声压的 平方成正比，因而
I kD2
故
I 2kD D
声强的相对变化为
I I
2
D D
七
二、最大值测向
设人耳能觉察的（人耳的灵敏度）相对声强变化为
I g I
D 2 D
2
D
0 D D0
2
1
D
0
0
利用 sin x x 1 x3 3!
即可有
D
sin
N
N sin
2
N
2
1 3!
N
N
2
3
1
1 3!
N
2
2
2
2
1
1 6
N
d
2
七二、最大值测向源自代入后得g1 3N
d
2
由此解得
1
3g Nd
3g sin
2
3g 0.276
《水声换能器》课程教学大纲
水声换能器Underwater Acoustical Transducer一、课程基本情况课程类别：专业方向选修课课程学分：3学分课程总学时：48 学时，其中讲课：48学时。
课程性质：选修，需同时选修“水声测量技术”开课学期：第5学期先修课程：水声学基础适用专业：海洋技术专业本科生教材：水声换能器原理，路德明，青岛海洋大学出版社，第一版，2009o开课单位：海洋科学学院海洋技术专业二、课程性质、教学目标和任务(-)课程性质：专业方向选修课(-)教学目标水声换能器是水声设备的主要原器件之一，本课程主要讲授压电水声换能器及其组成的基阵的工作原理和基本性能。
通过本课程的学习，学生可以明确水声压电换能器在水声应用中的重要地位；理解压电材料以及磁致伸缩材料的物理性质；掌握描述换能器性能的儿个重要指标；掌握几种常用换能器的结构、分析设计方法和工作原理；明确换能器和基阵的方向特性及其改善方法。
通过该课程的学习，为本专业学生更好的从事水声技术研究奠定基础。
(三)教学任务本课程是针对海洋技术专业高年级本科生开设的一门选修课，要求具备一定的传感器、声学和海洋学方面的专业知识的学生选修。
教学内容密切结合其它专业课的学习，如声学基础、数学物理方法、水声学原理.、水声专业实验等，突出本课程的重点，保证本课程教学的流畅以及结构的完整，注重理论与实践相结合。
三、教学内容和要求(一)总论学时数：4,其中课时4,实验0。
1、主要内容：水声换能器的开展历史、研究意义、分类、分析设计方法和主要性能指标。
2、教学要求：掌握换能器的分析设计方法和主要性能指标，理解水声换能器的开展历史、及其开展趋势、换能器的分类等。
3、重点、难点：4、其它教学环节：讨论水声换能器在军事和民事上的应用及开展趋势。
（二）第一章：压电材料的物理性质学时数：6,其中课时4,实验4。
1、主要内容：压电材料的介电性、弹性性质和压电性质。
2、教学要求：掌握压电材料的介电性、弹性性质和压电性质。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
图 1 高温超导磁致伸缩换能器
稀土合金材料在低温条件下的磁致伸缩本领比室温 条件下更大 ,如 77 K温度下 Tb0. 6 D y0. 4材料的磁致 伸缩应变最高值为 0. 65% ,而 Terfenol - D 在室温 条件下磁致伸缩应变最高值为 0. 25%. 文献 [ 1 ]研 制了 50—60K温度范围的 Tb0. 6 D y0. 4材料磁致伸缩 水声换能器 :稀土合金棒状材料置于冷气室内 ,由制 冷器的冷却塔循环制冷 ,冷气室内由超导材料线圈 提供直流偏磁场和激发磁场 ,激发磁致伸缩棒产生 伸缩振动并通过机械过渡件传递到活塞式辐射面 , 活塞式辐射面推动水介质产生压力波辐射出去. 在 结构中设计了真空腔 ,目的是隔绝热传导 ,真空腔外 壁是穹形耐压罩 ,能承受 10 个大气压的压力. 主要 技术参数如下 : 谐振频率 430Hz,最大声源级 181. 4dB ,效率约为 25%. 这种换能器制作工艺复杂 ,近 些年人们还是愿意采用室温条件工作的 Terfenol D 材料 ,舍弃一些磁致伸缩应变 ,而代之以新结构形 式实现优良的辐射性能. 下面简要介绍几种结构磁致 伸缩材料水声换能器 (见图 2)方面的研究进展.
2. 1 稀土超磁致伸缩材料水声换能器 稀土超磁致伸缩材料利用磁致伸缩效应实现磁
场能与机械能之间的相互转换 ,主要用来研制低频 大功率水声发射换能器. 先介绍一种“复杂 ”结构的 换能器 ———高温超导磁致伸缩水声换能器 [ 1 ] ,如图 1所示. 单从换能器结构形式上讲 ,其结构很简单 , 为普通的双辐射头纵向换能器. 这里所谓的“复杂 ” 是指它丰富的物理内涵.
换能器是声纳系统中实现能量转换的器件. 在 换能器中 ,有一种特殊的材料具有能量转换的本领 , 这种材料叫做功能材料. 用来制作换能器的功能材 料主要包括压电材料 (如压电晶体 、压电陶瓷 、压电 聚合物等 )和磁致伸缩材料 (如镍 、钴 、镍铁合金 、铁 氧体 、稀土铁合金等 ) ,它们分别利用压电效应和磁 致伸缩效应实现电场能或磁场能与机械能之间的相 互转换. 换能器技术的突破根本上决定于功能材料 的技术突破. 近些年功能材料领域取得了方方面面 的技术成就 ,也给换能器技术的发展带来了曙光. 1963年 ,美国的 Clark博士发现镧系稀土材料有惊 人的磁致伸缩特性 ,但由于居里点低于室温而没有 得到实际应用. 后来人们发现稀土元素和铁等组成 二元 、三元或四元合金在室温下也具有超磁致伸缩 特性 ,其中最具代表性的稀土合金是 Terfenol - D (组分为 Tb0. 27 D y0. 73 Fe1. 95 ) ,它已成为 20 世纪 80 年 代以来倍受关注的新型功能材料. 弛豫铁电单晶铌 镁酸铅 - 钛酸铅 (简称 PMN - PT)和铌锌酸铅 - 钛 酸铅 (简称 PZN - PT) ,是新型的复合钙钛矿型晶体 材料 ,也是异军突起的一类很有应用前景的新型功 能材料. 在此之前 ,换能器材料曾经普遍使用过镍 , 1917年 ,法国科学家朗之万用石英晶体制造了声纳 换能器 ,开创了压电材料在声纳上应用的先例 ; 20 世纪 40年代 ,具有较强压电性能的 B aTiO3 陶瓷研 制成功 ,在第二次世界大战期间被广泛用于声纳系 统 ; 50年代发展起来的 PZT压电陶瓷 ,以其较宽的 工作温度范围和优良的机电转换效率弥补了 Ba2 TiO3 陶瓷的不足 , 一度成为水声换能器的首选材 料 ,其中高能量密度的压电陶瓷材料是 PZT - 8. 对
圆环形换能器 :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. To shiaki 等 [ 3 ]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 200Hz的 换能器 (内径 0. 56m ,外径 0. 94m ,高度 0. 37m ,声源 级 193dB ,重量 410kg)和谐振频率为 30Hz的换能 器 (直径 2m ,高度 1. 1m ,声源级 195dB ,重量 5 t).
Abstract Recent significant advances in the design and technology of underwater acoustic transducers are re2 viewed. These include the development of functional materials for transducers, and new designs based on new ma2 terials such as rare earth giant magnetostrictive materials, relaxor ferroelectrics and p iezoelectric polymer film s. Novel types of transducers with innovative structures or different energy transfer mechanism s, and the most recent technology for broadband transducers are described. In the category of receiver type transducers discussion is fo2 cused on the fiber op tic hydrophone and vector hydrophone. Keywords transducer, fiber op tic hydrophone, vector hydrophone
1 引言
声波是迄今为止人类所掌握的唯一能在浩瀚大 海中远距离传递信息和能量的载体 ,在陆地上人们 利用电磁波研制了雷达 ,类似地人们利用声波这种 信息载体研制了对水下目标实现探测 、定位 、识别和 通信的电子设备 ———声纳. 面对广阔的海洋 ,声纳肩 负着重要的使命 :触及浩瀚大海的各个角落 、识别其 中形色各异的事物 、告诉人们海底世界的真面目 、协 助人们探究海洋的奥秘 ……成为水下通信导航 、水 产渔业 、海洋资源开发 、海洋地质地貌探测 、军事武 器等领域的重要手段. 声波之所以成为水下最佳信
随着声纳技术应用领域的不断扩大 ,军事对抗 及作战需求的日益提高 ,新原理 、新技术 、新型声纳 设备纷纷涌现 ,层出不穷. 新型声纳技术的发展要求 带动了换能器技术的飞速发展 ,同样换能器领域的 技术突破和新材料 、新机理 、新结构换能器的发展 , 也让声纳系统“耳目一新 ”. 在此就笔者所掌握的资 料和有限的理解水平简要综述一下换能器技术近些 年的发展状况 ,主要包括新材料水声换能器 、新结构 新机理水声换能器 、新型水听器技术 、宽带换能器技 术等等.
息载体 ,是由于在水介质中声波与电磁波等其他物 理场相比具有最小的衰减系数 ,可以获得远距离传 播 ,这个优点使得声纳从最初利用超声波观察水下 目标开始而不断发展起来. 目前声纳的工作频段已 经拓展到很宽的范围 ,主动声纳从几十赫兹到几十 兆赫兹 ,被动声纳的低频端已经拓展到次声范围 ,在 如此宽的频带内 ,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的重要器件被 称为声纳换能器或声纳基阵. 这些器件是声纳系统 最前端的设备 ,也是声纳系统与水介质相互作用 、交 流信息的“窗口 ”,是声纳系统功能的“实现者 ”,于
纵向换能器结构简单 ,磁致伸缩棒与前辐射头
35卷 (2006年 ) 5期 http: ΠΠwww. wuli. ac. cn
·415·
声纳技术及其应用专题
声辐射功率. 文献 [ 5 ]报道了这种新型低频大功率 水声换能器 ,包括谐振频率为 210 Hz, 450 Hz, 800 Hz和 1200 Hz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.
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 2 中列举 了几种常用类型的弯张换能器 ,其中 I, II, III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 构. Purcell[ 4 ]用 Terfenol - D 材料研制了凹型桶条梁 弯张换能器 ( III型 ) ,谐振频率为 1300Hz,声源级为 188. 7dB ,带宽为 600Hz,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 7% ,换能器重 量为 2. 7kg.
2005 - 09 - 30收到初稿 , 2006 - 01 - 19修回 Email: moxp @mail. ioa. ac. cn
·414·
http: ΠΠwww. wuli. ac. cn 物理
声纳技术及其应用专题
是声纳换能器或声纳基阵被人们形象地喻为声纳系 统的“耳目 ”.
图 2 磁致伸缩换能器结构示意图
和尾质量块结合成类似一维振动系统 ,前辐射头一 般为轻质材料 ,尾质量块一般为密度大的材料 ,以实 现辐射面输出更大的振动位移. Dubus等 [ 2 ]介绍了 两种用 Terfenol - D 材料研制的纵向换能器 ,其一是 一般 纵向 换能 器 , 谐 振频 率 为 1200Hz, 声 功 率 为 3kW ,换能器重量为 60kg;其二是稀土棒两端都设计 成喇叭形的双端辐射纵向换能器 , 谐振频率为 400Hz,声功率为 1. 5kW ,换能器重量达 100kg.
图 2中 IV 型 、V II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 多. 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 [ 6 ] . 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 [ 7 ]利用 PMN - PT BT (铌镁酸铅 - 钛酸铅 - 钛酸钡 )电致伸缩陶瓷研 制了 IV 型弯张换能器 (见图 3). 文献 [ 6, 7 ]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 一. 韩国 Hum anscan公司和 M edison公司 用 [ 8 ] PMN