一种宽带水声换能器匹配方法的研究_闵祥国

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。如廿世纪中叶开发的压电陶瓷是经过高压直流极化处理之后才具有压电性的，因此，被称作电致伸缩材料，是当今压电换能器的主流，尤其在超声换能器领域有极其广泛的使用价值。 水声换能器按照不同的振动模式可以分为以下几类： （1）纵向振动换能器：其振动方向与长度方向平行。在换能器的长度方向传播应力波，它的谐振基频取决于长度，是声纳系统中使用得最广泛的类型。 （2）圆柱形换能器：采用压电陶瓷圆管（或圆环），通过合适的机械结构，安装成所需的长度。它可以做成水平无指向性、垂直指向性可控的宽带换能器，是声纳系统中仅次于纵向换能器的一种类型，此外它还是水声计量中惯用的标准水听器和标准发射器的选型之一。 （3）弯曲振动换能器：弯曲振动换能器具有低频下尺寸小、重量轻的优点（与相同频率下、同一种有源材料的换能器相比较），其振动形式有弯曲梁、弯曲圆盘、弯曲板等。

高频功率放大器的设计及仿真

东北大学秦皇岛分校电子信息系 综合课程设计 高频功率放大器的设计及仿真 专业名称电子信息工程 班级学号5081112 学生姓名姜昊昃 指导教师邱新芸 设计时间2011.06.20~2011.07.01

课程设计任务书 专业：电子信息工程学号：5081112学生姓名（签名）： 设计题目：高频功率放大器的设计及仿真 一、设计实验条件 Multisim软件 二、设计任务及要求 1.设计一高频功率放大器，要求的技术指标为：输出功率Po≥125mW，工作 中心频率fo=6MHz，η>65%； 2.已知：电源供电为12V，负载电阻,RL=51Ω，晶体管用2N2219，其主要参 数：Pcm=1W,Icm=750mA,V CES=1.5V, f T=70MHz,hfe≥10，功率增益Ap≥13dB（20倍）。 三、设计报告的内容 1.设计题目与设计任务（设计任务书） 2.前言（绪论）(设计的目的、意义等) 3.设计主体（各部分设计内容、分析、结论等） 4.结束语（设计的收获、体会等） 5.参考资料 四、设计时间与安排 1、设计时间：2周 2、设计时间安排： 熟悉实验设备、收集资料：2 天 设计图纸、实验、计算、程序编写调试：4 天 编写课程设计报告：3 天 答辩：1 天

1.设计题目与设计任务（设计任务书） 1.1 设计题目 高频功率放大器的设计及仿真 1.2 设计任务 要求设计一个技术指标为输出功率Po≥125mW，工作中心频率fo=6MHz η>65%的高频功率放大器。 2. 前言（绪论） 我们通过“模电”课程知道，当输入信号为正弦波时放大器可以按照电流的导通角的不同，将其分为甲类、乙类、甲乙、丙类等工作状态。甲类放大器电流的导通角为360度，适用于小信号低功率放大；乙类放大器电流的导通角约等于180度；甲乙类放大器电流的导通角介于180度与360度之间；丙类放大器电流的导通角则小于180度。乙类和丙类都适用于大功率工作。 丙类工作状态的输出功率和效率是上述几种工作状态中最高的。高频功率放大器大多工作于丙类。但丙类放大器的电流波形失真太大，因而只能用于采用调谐回路作为负载的谐振功率放大。由于调谐回路具有滤波能力，回路电流与电压仍然极近于正弦波形，失真很小。 可是若仅仅是用一个功率放大器，不管是甲类或者丙类，都无法做到如此大的功率放大。 综上，确定此高频电路由两个模块组成：第一模块是两级甲类放大器；第二模块是一工作在丙类状态的谐振放大器，它作为功放输出级，最好能工作在临界状态。此时，输出交流功率达到最大，效率也较高，一般认为此工作状态为最佳工作状态。 3. 系统原理 3.1 高频功率放大器知识简介 在通信电路中，为了弥补信号在无线传输过程中的衰耗要求发射机具有较大的功率输出，通信距离越远，要求输出功率越大。为了获得足够大的高频输出功率，必须采用高频功率放大器。高频功率放大器是无线电发射设备的重要组成部分。在无线电信号发射过程中，发射机的振荡器产生的高频振荡信号功率很小，

201110水声换能器在水下探测应用中的发展

水声换能器在水下探测应用中的发展 郑乙 （海军装备部，山西侯马043003） [摘要]水声换能器是利用声波对水下目标进行探测、识别以及定位或者进行水下通信和发报的主要工具。用来发射声波的换能器称为发射器。当换能器处于发射状态时，将电能转换成机械能，再转换成声能。目前利用压电材料设计的常规换能器阵元，尤其是低频换能器，由于其结构上的特点，使得体积与重量庞大，不仅使制造、使用与维修成本提高，而且对平台提出了特殊要求，并限制了组阵的规模和形式，从而约束了战术与技术指标。如何解决声基阵的组阵规模与组阵形式问题，如何将低频、高频声纳基阵的结构设计统一起来，并在新阵元结构的基础上，通过组合大规模共形基阵，提高声纳基阵的各项技术指标，无疑是发挥平台与水中兵器作战性能，提高我军水下作战能力的迫切需要。 [关键词]水声换能器；水下探测；应用；发展 1新型压电复合换能器 图３．１月芽式压电复合换能器阵元与阵元剖面图 图３．２钹式换能器阵元与阵元剖面图 月芽式压电复合换能器（如图3.1）和钹式压电复合换能器（如图 3.2）是当前国外重点研究的最具代表性的弯张换能器。这两种结构的 压电复合换能器由其金属端帽的形状而得名。月芽式结构的金属端帽腔 体为月芽式，而钹式结构的金属端帽腔体为翘钹式，腔体为空气，它们 都是通过金属与压电陶瓷复合制作而成。金属—压电陶瓷复合材料通过 板状、壳状和帽状金属与压电陶瓷复合，改变陶瓷内部的应力分布，从 而提高压电材料的性能。 其主要特点是设计简单、易于加工、成本低。月芽式压电复合换 能器和钹式压电复合换能器显现出良好的压电性能，这种结构通过帽状 金属与陶瓷介面的应力转换，改变陶瓷介面的应力分布，使复合材料的 纵向压电性能和横向压电性能产生加合作用，从而大大提高材料的压电 耦合性能d h 。其中月芽结构复合材料的d h较压电陶瓷高10～20倍。帽 状结构可以较压电陶瓷提高30～40倍。月芽和帽状金属—压电陶瓷复 合材料与压电陶瓷的性能比较见表3.1。 表３．１金属—压电陶瓷复合材料的性能 2钹式换能器 图４．１钹式换能器阵元基本结构剖面图 图４．２钹式阵元陶瓷片的径向位移转化为金属帽厚度方向位移 阵元结构：阵元基本结构如图4.1，它是由两片冲压成钹状的金属 片与压电陶瓷片粘结成型，金属片材料可以为钛合金、黄铜、合金钢 等。利用钛合金作为金属片材料，可以使钹式阵元具有较大的抗水压性 能，对于阵元直径dp=10mm的钹式换能器可以承受600米水深时的 压力。但是钛合金材料较黄铜和合金钢材料昂贵，因此在不考虑水深使 用时，钛合金材料相对受限。黄铜与合金钢材料相比，当它们同时应用 于钹式阵元时，黄铜材料的钹式阵元具有更好的压电性能。压电陶瓷的 材料也主要包括PZT-4、PZT-8和PZT-5，钹式换能器作发射换能器 使用时，常用PZT-4和PZT-8压电陶瓷，作接收换能器使用时，常 用PZT-5压电陶瓷。工作原理：当在钹式阵元的两极施加电压时，压 电陶瓷会产生纵向和横向的振动，压电陶瓷的纵向振动，使得阵元的两 金属片直接产生纵向位移；压电陶瓷片的横向位移使得金属片发生径向 的压缩或扩张，由于钹式的特殊形状，这同样导致金属片顶端产生纵向 的位移，如图4.2。压电陶瓷纵向和径向位移都会使得金属端帽产生纵 向的位移，而且两种位移叠加后的结果，即为金属端帽的位移，从而产 生了金属端帽位移的放大。 3钹式压电换能器的特点及应用前景 3.1钹式压电换能器的特点 1）阵元体积小，静压压电系数高，易与水介质匹配，具有十分大 的带宽；其中利用凹型阵元设计、特殊静液压平衡设计，突破基阵的工 作深度限制。 2）为水下平台与水中兵器提供一类全面适用的声传感器与阵列， 该类声基阵体积小、重量轻、适用范围广，采用共形阵方式，布阵安装 灵活，对平台结构无要求。 3）由于新型钹式阵元小而轻的特点，可以将其进行大规模组阵， 获得较高灵敏度（FFVS）和较大的发射幅压响应（TVRS）。 4）用钹式阵元设计理论与专用软件，将各个频段（下转第60页）

宽带高频功率放大器

5.4 宽带高频功率放大器 以LC谐振回路为输出电路的功率放大器，因其相对通频带只有百分之几甚至千分之几，因此又称为窄带高频功率放大器。这种放大器比较适用于固定频率或频率变换范围较小的高频设备，如专用的通讯机、微波激励源等。除了LC谐振回路以外，常用于高频功放电路负载还有普通变压器和传输线变压器两类。这种以非谐振网络构成的放大器能够在很宽的波段内工作且不需调谐，称之为宽带高频功率放大器。 以高频变压器作为负载的功率放大器最高工作频率可达几百千赫至十几兆赫，但当工作频率更高时，由于线圈漏感和匝间分布电容的作用，其输出功率将急剧下将，这不符合高频电路的要求，因此很少使用。以传输线变压器作为负载的功率放大器，上限频率可以达到几百兆赫乃至上千兆赫，它特别适合要求频率相对变化范围较大和要求迅速更换频率的发射机，而且改变工作频率时不需要对功放电路重新调谐。本节重点分析传输线变压器的工作原理，并介绍其主要应用。 5.4.1 传输线变压器 1. 传输线变压器的结构及工作原理 传输线变压器是将传输线（双绞线、带状线、或同轴线）绕在高导磁率铁氧体的磁环上构成的。如图5-24（a）所示为1:1传输线变压器的结构示意图。 传输线变压器是基于传输线原理和变压器原理二者相结合而产生的一种耦合元件，它是以传输线方式和变压器方式同时进行能量传输。对于输入信号的高频频率分量是以传输线方式为主进行能量传输的；对于输入信号的低频频率分量是以变压器方式为主，频率愈低，变压器方式愈突出。 如图5-24(b)为传输线方式的工作原理图，图中，信号电压从1、3端输入，经传输线 R上。如果信号的波长与传输线的长度相比拟，变压器的传输，在2、4端将能量传到负载 L 两根导线固有的分布电感和相互间的分布电容就构成了传输线的分布参数等效电路，如图 5-24(d)所示。若认为分布参数为理想参数，信号源的功率全部被负载所吸收，而且信号的上限频率将不受漏感、分布电容及高导磁率磁芯的限制，可以达到很高。 图5-24 1:1传输线变压器的结构示意图及等效电路

(完整版)第2章水声换能器

第2章 水声换能器1.水听器2.水声发射换能器3.实验 1.水听器 (1) 分类 根据其用途和校准的准确度 根据其使用材料 根据其用途和校准的准确度分为两级： A.一级标准水听器 建立水声声压基准，并通过它传递声学量单位。绝对法校准。 B.二级标准水听器（测量水听器）用作实验室中一般测试。比较法校准。 根据其使用材料可分为：a 、压电式：b 、动圈式（或电动式）c 、磁致伸缩式d 、光纤式 (2) 参数①水听器接收灵敏度 ②水听器的指向性③水听器的电阻抗④动态范围 ①水听器接收灵敏度水听器自由场电压灵敏度： 水听器在平面自由声场中输出端的开路电压与声场中放入水听器之前存在于水听器声中心位置处自由场声压的比值。 水听器声压灵敏度：水听器输出端的开路电压与作用于水听器接收面上的实际声压的比值。②水听器的指向性 · 指向性响应图 · 指向性指数 · 指向性因数 水听器的指向性图 表示水听器在远场平面波作用下，所产生的开路输出电压随入射方向变化的曲线图。 指向性指数DI 和指向性因数R θ 对于水听器，其指向性因数代表定向接收器输出端的信噪比比无指向性接收器输出端的信噪比提高的倍数。10lg DI R θ=

③水听器的电阻抗 在某频率下加于换能器电端的瞬时电压与所引起的瞬时电流的复数比。换能器电阻抗的倒数称为换能器的电导纳。 ④动态范围水听器主轴方向入射的正弦平面行波使水听器产生的开路电压等于水听器实际输出的带宽1Hz的开路噪声电压时，则该声波的声压级就是水听器的等效噪声声压级。水听器的过载声压级与等效噪声声压级之差。 水听器的过载声压级引起水听器过载的作用声压级。 水听器的等效噪声压级 （3）GB/T4128-1995 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 /μPa) 二级：不低于-210dB（0dB re1v/μPa） 自由场灵敏度频率响应 自由场灵敏度频响相对于声压灵敏度在整个使用频率范围内，至少有三个十倍频程范围：一级：其灵敏度的不均匀性小于±1.5dB，在其他频率范围内灵敏度变化不超过+6dB或-10dB。 二级：其灵敏度的不均匀性小于±2dB，在其他频率范围内灵敏度变化不超过+6dB或-10dB。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。 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，在选定方向（或主轴）±20的范围内灵敏度变化应小于±0.2dB。

高频功率放大器

1.原理说明 利用选频网络作为负载回路的功率放大器称为谐振功率放大器。它是无线电发射机中的重要组成部件。根据放大器电流导通角θ的范围可以分为甲类、乙类、丙类等不同类型的功率放大器。电流导通角θ愈小放大器的效率η愈高。如甲类功放的θ=180o ，效率η最高也只能达50%，而丙类功放的θ<90o ,效率η可达到80%。甲类功率放大器适合作为中间级或输出功率较小的末级功率放大器。丙类功率放大器通常作为末级功放以获得较大的输出功率和较高的效率。 高频功率放大器按其工作频带的宽窄划分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器两种，窄带高频功率放大器通常以具有选频滤波作用的选频电路作为输出回路，故又称为调谐功率放大器或谐振功率放大器；宽带高频功率放大器的输出电路则是传输线变压器或其他宽带匹配电路，因此又称为非调谐功率放大器。高频功率放大器是一种能量转换器件，它将电源供给的直流能量转换成为高频交流输出。 1.1高频功放的主要技术指标 1.1.1 功率关系： 功率放大器的作用原理是利用输入到基极的信号来控制集电极的直流电源所供给的直流功率O P ，使之一部分转变为交流信号功率1P 输出去,一部分功率以热能的形式消耗在集电极上，成为集电极耗散功率C P 。 根据能量守衡定理：1o C P P P =+ 直流功率： 输出交流功率：221111 1222 c c c c L L U P U I I R R = ?== C U -----回路两端的基频电压 c1I ----- 基频电流 L R ----回路的负载阻抗。 1.1.2 放大器的集电极效率 1 101 122 c c o CC c U I P P U I ηξγ?===? 其中集电极电压利用系数：1c c L CC CC U I R U U ξ= = 0o c CC P I U =?

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

高频功率放大器设计--毕业设计论文

辽宁省交通高等专科学校机电系 毕业设计文件 设计题目: 高频功率放大器设计 专业:应用电子技术 姓名:班级：学号: 完成期限: 201 年03月25 日至201 _年05月03日指导教师：臧雪岩

摘要：高频功率放大器是无线电发送设备的重要组成部分，它主要用在发射机的末端。信号经高频功率放大器放大后能够满足天线对发射功率的要求，以足够大的功率发射出去，被远方的接收机可靠地接收。高频功率放大器按工作频带来分，可分为窄带高频功率放大器和宽带高频功率放大器，窄带高频功率放大器通常以LC谐振网络作为负载，又称谐振功率放大器，实用高频信号通常是窄带信号，窄带信号是指带宽远小于其中心频率的信号，如中波广播电台的带宽为10kHz，如果中心频率为1000kHz，其带宽远小于其中心频率，该信号即为窄带信号。窄带信号具有类似于单一频率正弦信号的特性，可采用谐振电路滤波。宽带功率放大器是以传输线变压器为负载，又称非谐振功率放大器，区别于窄带功率放大器，宽带功率放大器可在很宽的范围内变换工作频率而不必调谐，但不具有滤波能力。 关键词：高频功率放大器、窄带信号、谐振功率放大器。 Abstract：High frequency power amplifier is an important part of radio transmission equipment, it mainly use at the end of the transmitter. Signal after high frequency power amplifier amplification can satisfy the requirements of the antenna to transmit power, with enough power to launch out, distant receiver receives in a reliable way. High frequency power amplifier according to the working frequency points, high frequency power amplifier can be divided into narrowband and broadband high frequency power amplifier, narrow-band high frequency power amplifier is usually to LC resonant network as a load, also called resonance power amplifier, high frequency signal is usually a narrow-band signal, narrow-band signal refers to the signal bandwidth is far less than its center frequency, such as the bandwidth of the medium wave radio station to 10 KHZ, if the center frequency of 1000 KHZ, its bandwidth is far less than its center frequency, the signal is narrow band signal. Narrow-band signal is similar to the single frequency sine signal characteristics, resonant circuit filter can be used. Broadband power amplifier is based on a transmission line transformer load, also known as the resonance power amplifier, difference in narrow band power amplifier and broadband power amplifier working frequency can be changed in a very wide range and don't have to be tuned, but I don't have filtering capability. Key words: High frequency resonance power amplifier, power amplifier, narrow band signal.

水声换能器与基阵的测量

水声换能器与基阵的测量 1. 阻抗 水声换能器的阻抗通常是指在水声换能器电端测得的电阻抗，具体是指在某一固定频率下加到换能器输入端的瞬时电压与流入换能器的瞬时电流的复数比，单位为欧姆，用符号Z表示。 水声换能器的电导纳则是电阻抗的倒数，即指在某一固定频率下流入换能器的瞬时电流与加到换能器输入端的瞬时电压的复数比，单位为西门子，用符号Y表示。 利用阻抗分析仪可直接测出换能器在串联模式下的电阻抗和并联模式下的电导纳，但该方法通常只用于换能器在小信号状态下的阻抗或导纳测量。 2. 发送响应及声源级 水声发射换能器的发送响应按参考电学量的不同分为发送电压响应、发送电流响应和发送功率响应。 在水下电声测量中，人们通常习惯用分贝来表示某一参量在某一空间点、某一时刻的幅度，相对于一个参考幅度的大小，即所谓级的概念，如声压级、声源级、发送电压响应级、发送电流响应级和发送功率响应级等等。 （1）发送电压响应 换能器发送电压响应是指，在指定方向上，离发射换能器有效声中心1m处的表观声压与加到换能器输入端的电压之比。 （2）发送电流响应 换能器发送电流响应是指，在指定方向上，离发射换能器有效声中心1m处的表观声压与流入换能器的电流之比。 （3）发送功率响应 换能器发送功率响应是指，在指定方向上，离发射换能器有效声中心1m处的表观声压的平方与输入换能器的电功率之比。 （4）声源级 发射换能器的发射声源级是指，在指定方向上，离发射换能器有效声中心1m处的表观声压级。 3. 指向性 指向性是指换能器的发送响应或自由场灵敏度随发送或入射声波方向变化的特性，一般用指向性图、指向性因数和指向性指数来表示。 指向性是一个方向的函数，通常用D(θ,φ)来表示，其中φ是水平角，θ是垂直角。因此指向性图是个空间立体图，而且它又是频率的函数，所以指向性图通常要标明测量的频率和测量平面。在实际测量中，指向性图是二维的，通常是指水平指向性图或垂直指向性图。 如果换能器是互易的，则它的发射指向性图和接收指向性图是相同的，但在高功率状态下，由于非线性的影响，发射指向性图和接收指向性图稍有差异。 指向性图通常要作归一化处理，因为它是任一方向上发送响应或接收灵敏度相对于参考方向（通常为声轴方向）上发送响应或接收灵敏度的变化曲线，即将轴向发送响应或接收灵敏度设为0dB，再将任意方向上的发送响应或接收灵敏度与轴向发送响应或接收灵敏度的比值随方向的变化用极坐标或直角坐标下的图形表示出来。 指向性图的特征参量通常用波束宽度和最大旁瓣级来表示。 波束宽度指从主轴的最大响应下降3dB（或6dB、10dB）时左右两个方向的角度，通常称之为下降3dB（或6dB、10dB）的波束宽度。 最大旁瓣级是指最大旁瓣比主轴的最大响应下降的分贝数。 4. 电声线性范围

高频宽带功率放大器的设计与制作

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基于有限元法的水声换能器设计与分析

基于有限元法的水声换能器设计与分析 李道江，陈航，倪云鹿 基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（20070699018） 作者简介：李道江（1982-），男，博士研究生，主要研究方向：水声换能器及基阵的优化设计. （西北工业大学航海学院，西安 710072） 摘要：本文阐述了利用有限元法研究换能器的原理，利用有限元法对Tonpliz 型换能器进行 了模态分析和谐响应分析，根据分析结果制作出换能器实物并进行了消声水池试验测试。测 试结果表明：在一定误差范围内，有限元法能够有效地对换能器的工作状态进行仿真模拟， 并能准确地解算其工作参数，能为换能器的设计和优化提供可靠的技术指导。 关键词： 有限元法；水声换能器；模态分析；谐响应分析；试验测试 The Design and Analysis of Underwater Transducer based on the Finite Element Method LI Daojiang, Chen Hang, NI Yunlu (School of Marine Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China) Abstract: The theory of the Finite Elements Method is expatiated, the modal analysis and harmonious analysis is done by the Finite Elements Method, the transducer is made according to the analytic results and the experiments are carried out. The experiment result shows that: the working state of transducer can be simulated and the working parameters can be calculated by the Finite Elements Method in a certain error range, and dependable technique can be supplied for transducer’s design and optimization. Key words: the Finite Element Method; modal analysis ；underwater transducer ； harmonious analysis; experiment test 0 引言 Tonpliz 型换能器也称为喇叭型换能器，由于在几何尺寸、性能参数和安装等方面具有 的优点，目前在各型声纳中得到广泛的应用[1]。 目前水声换能器的研究方法有：等效网络法、瑞利法以及有限差分法和有限元法[2]。前两种方法都是通过等效网络分析换能器的工作特 性，其特点是结果精确但计算繁复。而有限元法将换能器复杂的结构化整为零，进行离散化， 建立局部矩阵，然后在集零为整，通过计算机对其进行数值计算，具有建模简单、运算速度 快、结果直观等特点[3]-[6]。本文利用有限元法研究了Tonpliz 型换能器，制作出实物并进行 了消声水池测试。 1 理论分析 有限元法处理结构问题的有限元方程为[7]： [][][]M u C u K u F ++= （1） 式中[]M 是质量矩阵，[]C 是阻尼矩阵，[]K 是刚度矩阵，u 是节点位移，F 是载荷矢 量。 式（1）中当F =0时，分析类型为模态分析，主要用于计算结构体的固有频率和振型，

第3章高频功率放大器详解

第3章高频功率放大器 一、本章的基本要求 （1）掌握丙类谐振功率放大器的工作原理及其特点。 （2）掌握谐振功率放大器三种工作状态的特点以及负载特性；了解集电极直流电源，基极直流电源以及基极输入电压对工作状态的影响。 （3）掌握谐振功率放大器电路的组成，了解谐波匹配网络的作用。 （4）了解传输线变压器的工作原理以及阻抗变换，功率合成与分配技术 二、重点和难点 重点： （1）丙类谐振功率放大器的工作原理及其特点。 （2）谐振功率放大器三种工作状态以及负载特性。 （3）谐振功率放大器电路的组成。 （4）传输线变压器阻抗变换原理。 难点： （1）谐振功率放大器特性分析。 （2）LC网络的阻抗变换原理及电路参数的计算。 （3）传输线变压器功率合成与分配原理。

引言 1、使用高频功率放大器的目的 放大高频大信号使发射机末级获得足够大的发射功率。 2、高频功率信号放大器使用中需要解决的两个问题 ①高效率输出②高功率输出 联想对比： 高频功率放大器和低频功率放大器的共同特点都是输出功率大和高。 3、谐振功率放大器与小信号谐振放大器的异同之处 相同之处：它们放大的信号均为高频信号，而且放大器的负 载均为谐振回路。 不同之处：为激励信号幅度大小不同；放大器工作点不同； 晶体管动态范围不同。 4、谐振功率放大器与非谐振功率放大器的异同 共同之处:都要求输出功率大和效率高。 功率放大器实质上是一个能量转换器，把电源供给的直流能量转化为交流能量，能量转换的能力即为功率放大器的效率。 谐振功率放大器通常用来放大窄带高频信号(信号的通带宽度只有其中心频率的1%或更小)，其工作状态通常选为丙类工作状态(θc＜90?)，为了不失真的放大信号，它的负载必须是谐振回路。 非谐振放大器可分为低频功率放大器和宽带高频功率放大器。低频功率放大器的负载为无调谐负载，工作在甲类或乙类工作状态；宽带高频功率放大器以宽带传输线为负载。 工作状态 功率放大器一般分为甲类、乙类、甲乙类、丙类等工作方式，为了进一步提高工作效率还提出了丁类与戊类放大器。谐振功率放大器通常工作于丙类工作状态，属于非线性电路功率放大器的主要技术指标是输出功率与效率。 3.1 谐振功率放大器的工作原理 1、原理电路 晶体管的作用是在将供电电源的直流能量转变为交流能量的过程中起开关控制

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

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 3 莫　喜　平 (中国科学院声学研究所　北京　100080) 摘　要 文章综述了新型水声换能器设计与换能器新技术的重要进展.主要涉及:稀土超磁致伸缩材料、弛豫铁电材料、压电聚合物薄膜等新材料的发展及其水声换能器的新设计,基于新结构的新型水声换能器,利用不同能量转换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 I nnova ti ons for sonar:new technology and desi gns for underwa ter acousti c transducers MO Xi 2Ping (Institute of Acoustics,Chinese Acade m y of Sciences,B eijing 100080,China ) Abstract Recent significant advances in the design and technol ogy of under water acoustic transducers are re 2viewed .These include the devel opment of functional materials for transducers,and new designs based on new ma 2terials such as rare earth giant magnet ostrictive materials,relaxor ferroelectrics and p iezoelectric poly mer fil m s .Novel types of transducers with innovative structures or different energy transfer mechanis m s,and the most recent technology for br oadband transducers are described .In the category of receiver type transducers discussi on is fo 2cused on the fiber op tic hydr ophone and vector hydr ophone . Keywords transducer,fiber op tic hydrophone,vect or hydr ophone 2005-09-30收到初稿,2006-01-19修回 　Email:moxp@mail .i oa .ac .cn 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 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

利用VI改造水声换能器测试系统

利用VI改造水声换能器测试系统 VI 阅览次数：923 作者：糜锋单位：中国船舶重工集团722研究所中心计量室武汉 针对传统水声换能器测试中存在的问题，提出了一种利用虚拟仪器技术，通过计算机的控制实现换能器自动测 试的方案。该方案在提高了换能器测试的准确度的同时，也大大的提高了测试效率，将测试人员从繁杂的估算、记录 中解脱中来。 水声换能器 LabVIEW 数据采集 Abstract: For measuring underwater transducer,this paper proposes a method which can make the whole measure procedure to be automatic and improve the accuracy. Keyword: VI Translater LabVIEW DAQ 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，因此声波是目前水下通信的主要手段。当前，世界各国都在开展水声通信方面的研究。 水声通信中的一个关键设备就是水声换能器，它是发射和接收水中声信号的装置。应用最广泛的是电声转换的水声换 能器，即转换电能为水中声能的水声发射器，以及转换水中声能为电能的水声接收器(即水听器)。显然，换能器的性能将直接影响到水声通信的质量。改造前的水声换能器测试是基于丹麦B&K公司的一整套测试设备的，具体为信号发生

器（Sine/Noise Generator Type 1054）、功率放大器（Power Amplifier Type 2712）、测量放大器（ Measuring Amplifier Type 2610）、带通滤波器（Band Pass Filter Type 1617）及绘图仪等。 1）由信号发生器及功率放大器将特定频率和幅度的信号送给水下的发射换能器，将电信号转换为声信号； 2）声信号通过喇叭有方向性向水下传播，3）待测换能器在一定距离远处做匀速的水平转动，在各个角度接收声信号并转换成电信号； 4）测量放大器接收从换能器传输过来的电信号，经带通滤波器过滤后送给绘图仪打印角度－幅度的测试曲线； 5）测试人员根据测试曲线及标准换能器的参数人工计算出灵敏度及偏差，判断该换能器是否合格，最后将测试结果记录。 以上测试方法中需要人工参与计算，因此而带来的误差也较大，而且当测试数目较多时，测试效率就成了很大的问题。 再者，因为绘图仪属于机械设备，长时间使用后也会出现绘图不准的现象。所以，现急需一种能解决该系统存在问题 的改造方案。 1）自动计算出灵敏度和水平指向性偏差并判断是否合格，整个过程不需要人工计算，提高测试准确度。 2）能输入换能器号、测试日期等信息，能在屏幕上即时绘制测试曲线，能打印测试报告。 3）将测试结果存盘为EXCEL能编辑的文件格式，方便以后查询打印 4）能进行循环测试，提高测试效率。 通过调研、分析，我们决定采用虚拟仪器技术，利用数据采集卡和中央控制计算机来采集、处理测试数据，实现以上 功能。

【CN210159911U】一种小型化低频水声换能器【专利】

(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)实用新型专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201920666968.6 (22)申请日 2019.05.10 (73)专利权人 苏州静声泰科技有限公司 地址 215699 江苏省苏州市张家港经济开 发区(市高新技术创业服务中心静声 泰) (72)发明人 唐俊　 (74)专利代理机构 苏州创元专利商标事务所有 限公司 32103 代理人 刘鑫 (51)Int.Cl. B06B 1/08(2006.01) G01S 15/88(2006.01) G01S 7/521(2006.01) (ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利 (54)实用新型名称 一种小型化低频水声换能器 (57)摘要 本实用新型公开了一种小型化低频水声换 能器，包括卧式磁致伸缩驱动器、声辐射面板、驱 动转换机构；卧式磁致伸缩驱动器包括壳体、沿 左右方向设于壳体中的线圈、定子、可沿轴向形 变伸缩的穿设于定子中的Terfenol -D磁致伸缩 棒、分别连接在Terfenol -D磁致伸缩棒两端的预 紧力机构和作动力驱动杆；线圈用于在通过交流 电流激励信号时为Terfenol -D磁致伸缩棒提供 外部激励磁场，以驱动Terfenol -D磁致伸缩棒沿 轴向产生正向或反向的形变伸缩；驱动转换机构 用于放大作动力驱动杆的轴向位移，并将其转换 为声辐射面板沿竖直方向的位移。本实用新型一 种小型化低频水声换能器，采用卧式结构，能够 尽可能地在较小的厚度空间范围内，增大磁致伸 缩棒的长度，从而降低磁致伸缩驱动器有效工作 频率。权利要求书1页 说明书4页 附图2页CN 210159911 U 2020.03.20 C N 210159911 U