最全整理 关于电声换能器
超声波换能器的结构及原理
超声波换能器的结构及原理超声波的发射和接收，需要一种电-声之间的能量转换装置，这就是换能器。
超声换能器，也即超声传感器，是超声波流量计中的重要组成部分。
通常所说的超声换能器一般是指电声换能器，它是一种既可以把电能转化为声能、又可以把声能转化为电能的器件或装置。
换能器处在发射状态时，将电能转换为机械能，再将机械能转换为声能；反之，当换能器处在接收状态时，将声能转换为机械能，再转换为电能。
超声换能器通常都有一个电的储能元件和一个机械振动系统。
人们为研究和应用超声波，己发明设计并制成了许多类型的超声波发生器，目前使用较多的是压电型超声波发生器，而压电材料有单晶体的、多晶体复合的，如石英单晶体，钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅压电陶瓷复合晶体(PZT)、PVDF等。
压电型超声波换能器是借助压电晶体的谐振来工作的，即晶体的压电效应和逆压电效应。
其结构原理如图3所示：图3超声波换能器结构原理图超声波换能器是一个超声频电子振荡器，当把振荡器产生的超声频电压加到超声换能器的压电晶体上时，压电晶体组件就在电场作用下产生纵运动。
压电组件振荡时，仿佛是一个小活塞，其振幅很小，约为(1～10) m ，但这种振动的加速度很大，约(10～10 3 ) g，这样就可以把电磁振荡能量转化为机械振动量，若这种能量沿一定方向传播出去，就形成超声波。
当在超声换能器的两电极施加脉冲信号时，压电晶片就会发生共振，并带动谐振子振动，并推动周围介质振动，从而产生超声波。
相反，电极间未加电压，则当共振板接收到回波信号时，由逆压电效应，将压迫两压电晶片振动，从而将机械能转换为电信号，此时的传感器就成了超声波接收器。
通常压电型超声波换能器可以等效地看作一个电压源和一个电容器的串联电路，如图 4（a）所示，也可以等效为一个电流源和一个电容器地并联电路，如图4（b）所示。
如果用导线将压电换能器和测量仪器连接时，则应考虑连接导线地等效电容、等效电阻、前置放大器地输入电阻、输入电容。
声电转换与电声转换
等效噪声级=20lg(V/MP0 ) (dB) 式中V为传声器的固有噪声电压，M为传声
器灵敏度，P0为参考声压(为2×10-5pa)。
80Hz～13kHz，扩声用时一般在70Hz～15kHz就不错了，
此外有时传声器并不一定取平坦频响曲线，而是在高频
段(主要在3000～8000Hz)有所提升，这样可增加拾 音的明亮度和清晰度，因此在选用传声器时不能单 纯看频响曲线，而主观试听十分重要。
第二十四页，共87页
3．指向性
传声器的指向性是指传声器的灵敏度随声波入射 方向而变化的特性。它分为全向性、单向性和双 向性三种。全向性传声器对来自四周的声波都有 基本相同的灵敏度。单向性传声器的正面灵敏度 比背面高。单向性传声器根据指向性特性曲线又 分为心形、超心形和超指向三种。双向性传声的 前、后两面灵敏度较高，左、右两侧的灵敏度偏 低一些。
第四页，共87页
实物
第五页，共87页
结构
（2）电容式传声器
电容式传声器是音响系统中常用的传声器， 优点频率响应好，固有噪声电平低，失真小， 是一种性能优良的传声器。它被广泛应用在 广播电台、电视台、电影制片厂及厅堂扩声 等各种场合。
第六页，共87页
电容式传声器结构及实物外型如图5-2 所示。 电容式传声器主要由振膜、后极板、极化电 源、前置放大器组成。电容传声器的极头， 实际上是一只平板电容器，只不过两个电极 中一个是固定电极板，一个是可动电极板， 可动电极就是极薄的振膜（约25～30μm）, 一般为金属化的塑料膜或金属膜。
换能器技术ppt课件
复合棒换能器实物照片及分解图
双向辐射复合棒换能器
特点：功率容量大、效率高、易形成宽带、结构简单紧凑、耐静水压、便于成阵等。 主要应用于舰艇主动探测、通讯声呐基阵、鱼雷声制导基阵等。
10
◆ 弯张换能器
弯张换能器的位移放大作用
常见的七种弯张换能器
11
稀土IV弯张换能器
新型弯张换能器
六元弯张换能器线阵
逆向压电效应
磁致伸缩效应
压电陶瓷
稀土材料
4
3.换能器为什么要成阵
为实现或增强某些电声性能（指向性、作用距离），将多个换能器按一 定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。
按照形状分为：平面阵、圆柱阵、球形阵、线阵、共形阵
平面阵
圆柱阵
拖曳线列阵
球形阵
5
共形阵
10
9
48
9
495
几种常见发射换能器
几种常见水听器
7
B.按功能材料分
最早的 换能材 料，磁 致伸缩
镍 压电单晶
1940s，较 强压电性能
1970s。铽、镝与铁的合金。应变量比镍 大40~50倍，比PZT大5~8倍；能量密度 比镍大400~500倍，比压电陶瓷大10~14 倍；与PZT相比，杨氏模量小、声速低， 尤其适合制作低频、大功率、宽带水声换
能器
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
驻极体话筒(整理)
驻极体话筒原理简介
驻极体话筒(又称电容式微音器）是由驻极体和场效应管组成的一种具有自偏压的电声换能器，它具有频带宽（20～100Hz）、音质好、噪声低、耗电少、灵敏度高等特点，而且体积小、重量轻、价格低廉，现在盒式录音机的录音用内接，外接话筒几乎都采用驻极体话筒。
驻极体话筒的内部结构如图3-6-2所示，其中两个由驻极体材料构成的极板组成了一个电容器，一个极板的作用是承受声压信号，作为振膜。
当振膜振动时，两极板间因距离变化而使电容量发生变化，即产生出与声信号对应的交变信号。
由于此电容量很小，在声频段，其阻抗高达几兆欧。
为了降低其输出阻抗，在驻极体的另一极板上通过弹簧连接了一个场效应管，以此来匹配阻抗，放大信号。
图3-6-2 驻极体话筒结构
场效应管阻抗变换电路通常有两种形式，即源极输出式——两端话筒和漏极输出式——三端活筒，如图3-6-3所示。
（a）源极输出式（b）漏极输出式
图3-6-3 两种阻抗变换电路
为了保证驻极体活筒的质量，通常将场效应管连同相应的电阻等一起装在话筒的外壳内，整个话筒只有三个输出接点（电源端、输出端和接地端）或两个输出接点（输出端和接地端），对应不同的需要，在使用时又可有几种电源接线方式（见图3-6-4）。
话筒的工作电压范围一般为1．5～12V。
图3-6-4 几种电源接线图。
一文读懂换能器
一文读懂换能器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”。
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。
电声设计培训教材之二,电声器件
电声设计培训教材之二电声器件常见的电声器件有扬声器、受话器、传声器（麦克风）等，各种电声器件均是一种声电互相转换的换能器件。
扬声器（Speaker）把电能变换为声能，并将声能辐射到室或开阔空间的电声换能器称为扬声器，又称为喇叭。
受话器（Receiver）把电能转换为声能并与人耳直接耦合的电声换能器称为受话器，又称为通信用的耳机。
传声器（Microphone）把声能转换为电能的换能器称为传声器，又称为麦克风、话筒、微音器、咪头，咪胆等。
电声器件的分类按电声器件的频率特性可分为：广播级电声器件与通信级电声器件。
广播级电声器件主要指的是用于广播、电影、电视、剧院等方面的声音重放和录音的各种扬声器系统、耳机、传声器、拾音器(唱头)。
其特点是频率围宽（20～20KHz），动态围大，高保真等特点。
通信级电声器件主要指的是应用于系统和军、民用无线电通讯机中作语音通信用的送话器、受话器及头戴送/受话器组合部件。
其特点是频率围窄（300~3400Hz），强调语言的清晰度，可懂度。
扬声器扬声器分类1、按磁路结构分：外磁式、磁式、双磁式2、按工作原理分：动圈式、电磁式、压电式、电容式等3、按使用环境分：军用、民用等动圈式扬声器结构扬声器的指标灵敏度xxdB 1m 1W xxdB 0.1m 0.1W 两者相差10dB频率响应频响的4个关键参数：SPL（响度、灵敏度）、低频谐振频率f0、平坦度、f0对应的响度低截止频率fL高截止频率fH若扬声器的SPL为P0 f0=1KHz，则fL，P=P0-10dBfH，P=P0-10dB喇叭的谐振频率温度上升，谐振频率下降温度下降，谐振频率上升传声器分类有动圈式、电容式、驻极体和最近新兴的硅微传声器，此外还有液体传声器和激光传声器。
动圈传声器音质较好，但体积庞大。
驻极体传声器体积小巧，成本低廉，在、手机等设备中广泛使用。
硅微麦克风基于CMOSMEMS技术，体积更小。
其一致性将比驻极体电容器麦克风的一致性好4倍以上，所以MEMS麦克风特别适合高性价比的麦克风阵列应用，其中，匹配得更好的麦克风将改进声波形成并降低噪声。
- 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)。
最全整理关于电声换能器
电声转换器是把声能转换成电能或电能转换成声能的
器件，电声工程中的传声器、扬声器和耳机是最典型的电能、声能之间相互变换的器些器件统称为电声换能器。
一、电声换能器分类广义的电声换能器应用的频率范围很宽，包括次声、可听声、超声换能器。
属于可听声频率范围内的电声换能器有传声器、扬声器、送受话器、助听器等等。
按照换能方式，它们又可以分成电动式、静电式、压电式、电磁式、碳粒式、离子式和调制气流式等。
其中后三种是不可逆的，碳粒式只能把声能变成电能，离子式和调制气流式的只能产生声能。
而其他类型换能器则是可逆的。
即可用作声接收器也可用作声发射器。
二、电声换能器系统组成各种电声换能器，尽管其类型、功用或工作状态不同，它们都包含两个基本组成部分，即电系统和机械振动系统。
在换能器内部，电系统和机械振动系统之间通过某种物理效应相互联系，以完成能量的转换；在其外部，换能器的电系统与信号发生器的输出回路，或前级放大器的输入回路相匹配；而换能器的机械振动系统，以其振动表面与声场相匹配。
电声换能器它包括三个互相联系的子系统。
1.以辐射或接受声波的振动板为中心的机械一声系统。
2.起电一声两种能量之间相互变换作用的能量变换系统。
3.担任电信号输入、输出的电学系统。
这三个子系统的复合系统之间的能量关系是非常复杂的，是互相联系密不可分的。
这三种体系是互相牵制的，处理得不好往往会顾此失彼。
例如，一个有效的磁系统可能会非常笨重，变成一种令人不能接受的声障碍物；或者声输入阻抗或电输出阻抗的数值，可能根本不能与周围媒质或附属设备相匹配。
由此可见，电声换能器的设计总是在许多相互矛盾的因素中采取折衷的办法。
三、电声换能器主要性能
1.换能器的工作频率
换能器工作频率的设计依据涉及传声媒质对超声波能量衰减的因素、检测目标（如缺陷）对超声波的反射特性、传声媒质的本底噪声以及辐射阻抗等等。
决定换能器工作频率的影响因素有很多，如激励用电信号的频率、换能器的组装结构设计、工作原理的应用范围与限制条件、换能元件自身的材料物理特性等等。
换能器的许多重要性能，如指向性、发射声功率、接收灵敏度以及声场特性等都直接受其工作频率的影响。
因此，在确定或选择工作频率时必须兼顾各方面的因素予以综合考虑。
就一般而言，发射换能器在其谐振基频上工作时可获得最佳的工作状态，即能获得最大的电声转换效率和发射声功率。
同样，在此条件下，作为接收换能器也
能获得最佳的频率响应和接收灵敏度。
2.换能器响应（灵敏度）。