水声换能器——绪论-.ppt

换能器技术 主讲教师: 蓝宇 副教授 联系方式 专业课学习方法 只需掌握基本理论、基本方法和专业常识，不需要全懂； 多接触相关工作，理论与实践结合，在工作中解决问题； 培养对这门知识的兴趣和热情。 前导课与后续课程 前续课：声与振动基础、数学物理方法和 电路基础 后续课：声学测量实验 换能器制作工艺实验课 参考书目 《压电换能器与换能器阵》（上、下） 北大出版社，栾桂冬，张金铎，王仁乾 《水声换能器与基阵》周福洪编著 国防工业出版社 《超声换能器》，袁易全著， 南京大学出版社 《压电学》 （上、中、下）科学出版社 主编 张福学 一、基本概念 换能器：能够发射或接收声波，并完成声波所携带的信息和能量与电的信息和能量转换的装置，就称为电声换能器，简称换能器。 基阵：将多个换能器按一定的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。 包括：线列阵、平面阵、圆柱阵、球形阵 参量阵、乘积阵、合成孔径阵、恒定束宽阵 舷侧阵、共形阵、 拖曳线列阵等等 主动声纳系统框图 二、换能器的早期发展 三、换能器的分类 2. 按原理和材料分类 压电单晶：石英、铌酸锂（LiNbO3） 性能稳定、居里点高 罗谢耳盐（酒石酸钾钠RS或KNT） 磷酸二氢胺（ADP）—水溶性晶体 压电陶瓷: 钛酸钡 BaTiO3 锆钛酸铅Pb(ZrxTi1-x)O3 PZT4、PZT5、PZT8 四、理论分析方法 1．等效电路法 将换能器看为做机械振动的弹性体，依据波动理论可以得到它的机械振动方程；根据电路的规律可以得到电路状态方程；根据压电方程和机电类比可以建立换能器的机电等效图，换能器的工作特性和参数就可以通过机电等效图求得。 优点：物理意义明确 缺点：通常是一维分析，适合于简单结构 五、换能器的应用与发展趋势 2．发展趋势 六、水声换能器的技术特点 有源材料：压电材料、磁致伸缩材料 无源材料：吸声、反声、透声、去耦、结构 七、水声换能器课程的主要内容 压电陶瓷的物理性能和压电方程 压电陶瓷换能器设计（等效电路法） 水听器的分析与设计 有限元方法 新型换能器 换能器与基阵的指向性 驰豫型铁电单晶: 1997.3 美国的《科学》杂志介绍了材料领域的重大突破， 美国宾夕法尼亚州州立大学研制出了驰豫型铁电单晶。1997.5 美国海军研究办公室ONR举行压电单晶发展研讨会；1998.7 美国国防尖端研究项目署（DARPA）举行了压电单晶研究队伍组织的研讨会，大力资助了有关新型压电单晶的制备及应用研究，希望尽快用新型压电单晶代替目前所用压电陶瓷，发展新一代声纳系统中的水声换能器。 铌镁酸铅 PMNT 铌锌酸铅 PZNT 电动式换能器：频率低、频带宽、源极高； 用于大洋测温和海洋层析 电磁式换能器： 磁场性 电动式 电磁式 磁致伸缩式： 磁致伸缩材料——镍、铁镍合金、铝铁合金、铁钴合金 镍铁氧体、镍锌铁氧体、镍铜铁氧体等 1920-1950 有两种线圈：直流偏磁 交流激励 铁磁流体：铁磁流体是一种液体功能材料，铁磁流体换能器是利用这种功能材料在强恒磁场下，可由梯度磁场激发产生Kelvin力，将力转化成辐射面的振动，辐射声能。这种换能器具有频率低、带宽。易与水匹配等特点。 超磁致伸缩稀土材料Terfenol-D： 铽、镝、铁三元稀土合金 Tb0.3Dy0.7Fe2，70年代由美国海军防卫研究所（NOL）A.E.Clark博士研制 优点 ：应变值比镍大40-50倍，比PZT大5-8倍 能量密度比镍大400-500倍，比PZT大10-14倍 声速低、尺寸小，居里点高 缺点 ：材质脆、机械加工困难、高频涡流损耗大 价格贵（2万元/公斤） 3. 按结构形式分类 压电元件：圆片、圆管、方片、球 弯曲圆盘: 双叠片、三叠片 复合棒：纵振动、夹心式、TONPILZ换能器 镶拼圆环换能器： 弯张换能器： 矢量水听器：声压、振速 优点：低频小尺寸形成指向性 解决拖曳线列阵左右舷模糊问题 光纤水听器：