水聲換能器實習專題報告

1、哈爾濱工程大學本科生專業(yè)實習專題報告 實習專題報告題 目： 水聲換能器實習名稱： 專業(yè)實習班 級： 20100521學 號： 2010052109學生姓名： 李偉偉指導教師： 哈爾濱工程大學 2013年9月1日6摘 要 隨著社會的發(fā)展，換能器在各行各業(yè)中扮演的角色越來越重要，而水聲換能器在軍事上的特殊和重要地位促使水聲換能器行業(yè)飛速發(fā)展，本文旨在介紹水聲換能器的種類、技術參數(shù)以及制作水聲換能器的材料。 關鍵詞：換能器，壓電陶瓷引言：地球表面積的71%是海洋，海洋里蘊藏著豐富的生物和礦物質(zhì)資源，是人類今后生存和發(fā)展的第二個空間。而聲納這一水下探測設備則是人類開發(fā)海洋的重要幫手，更是海軍和民用航海

2、事業(yè)不可缺少的組成部分。聲納設備的功能，就是收聽水下有用信號并把它轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栆怨┮暵?；或者自身產(chǎn)生一個電信號再轉(zhuǎn)變?yōu)槁曅盘栐谒橘|(zhì)中傳播，遇到目標后反射回來再進行接收，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柟┦章牷蛴^察，由此來判斷被測物體的方位和距離。在這個水下電聲信號的轉(zhuǎn)換過程中，關鍵設備就是水聲換能器。1. 水聲換能器的應用    目前，水聲換能器已經(jīng)普遍地應用到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、交通和醫(yī)療等許多領域。這里僅介紹幾種在水下探測方面的應用：    （1）在測深方面的應用：為保證航行安全，無論是軍艦或是民船都要安裝測深聲納；專門的航道檢測船只都配備精度高、功

3、能齊全的測深儀。根據(jù)測深深度的不同，測深換能器的頻率和功率也相差甚遠。以頻率范圍在10kHz200kHz的較多，功率從數(shù)瓦到數(shù)十千瓦不等，其中，高頻小功率用于內(nèi)河或淺海，低頻大功率用于遠洋、大深度。對這類換能器的要求是波束穩(wěn)定、主波束尖銳。    （2）在定位和測距方面的應用：測量航船對地的航行速度，大多采用多普勒聲納，利用四個性能相同的換能器分別排列與龍骨相垂直的左右舷方向上。一般工作頻率在100kHz500kHz。    （3）在海洋考察和海底地層勘探方面的應用：海底地質(zhì)調(diào)查主要采用低頻大孔徑聲納。拖曳式聲納是當今裝在活動載體上最

4、大尺寸的聲學基陣，作用距離也最遠。水中成像方面，通常采用高頻旁視聲納，在船底左右舷對稱地沿龍骨平行方向裝兩個直線基陣，各自向海底發(fā)射扇形指向性聲束，然后接收來自海底的反射波，由于海底凹凸不平反射波強度有別，在顯示圖像上就會出現(xiàn)亮度不同的圖像，因為工作頻率較高，聲信號衰減較快，作用距離不遠，現(xiàn)在試驗的頻率范圍為數(shù)十千赫到500千赫。2. 水聲換能器的分類    換能器按照不同的機電能量轉(zhuǎn)換原理可以分為電動式、電磁式、磁致伸縮式、靜電式、壓電式和電致伸縮式等。如20世紀中葉開發(fā)的壓電陶瓷是經(jīng)過高壓直流極化處理之后才具有壓電性的，因此，被稱作電致伸縮材料，是當今壓電換能

5、器的主流，尤其在超聲換能器領域有極其廣泛的使用價值。    水聲換能器按照不同的振動模式可以分為以下幾類：    （1）縱向振動換能器：其振動方向與長度方向平行。在換能器的長度方向傳播應力波，它的諧振基頻取決于長度，是聲納系統(tǒng)中使用得最廣泛的類型。    （2）圓柱形換能器：采用壓電陶瓷圓管（或圓環(huán)），通過合適的機械結(jié)構(gòu)，安裝成所需的長度。它可以做成水平無指向性、垂直指向性可控的寬帶換能器，是聲納系統(tǒng)中僅次于縱向換能器的一種類型，此外它還是水聲計量中慣用的標準水聽器和標準發(fā)射器的選型之一。 &#

6、160;  （3）彎曲振動換能器：彎曲振動換能器具有低頻下尺寸小、重量輕的優(yōu)點（與相同頻率下、同一種有源材料的換能器相比較），其振動形式有彎曲梁、彎曲圓盤、彎曲板等。    （4）彎曲伸張換能器：彎曲伸張換能器一般是用兩種振動模式組合起來的復合換能器。例如用縱向伸縮振動棒與不同形式的彎曲殼體組合成多種形式的彎曲伸張換能器，也可以用圓形平面徑向振動有源元件與碗形彎曲殼體組合成II型彎曲伸張換能器。    （5）球形換能器：利用空心壓電陶瓷球殼的呼吸振動做成的球形換能器具有空間對稱性好的優(yōu)點。普遍用作點源水聽器。 &#

7、160;  （6）剪切振動換能器：振動方向和極化方向相平行而驅(qū)動電場的方向和振動方向相垂直的剪切振動可以滿足某種特殊使用要求。如去除牙結(jié)石的換能器就是這種形式。3. 水聲換能器的主要參數(shù)    水聲換能器的主要性能指標有；水中工作頻率、工作頻率范圍、頻帶寬度、發(fā)射聲源級（聲功率）及發(fā)射響應、指向性、接收靈敏度及接收靈敏度響應、發(fā)射效率、品質(zhì)因素、阻抗、最大工作深度、尺寸和重量等。其中：    （1）工作頻率    水聲換能器的工作頻率或工作頻率范圍通常是由聲納設備的工作頻率確定的。換能器的阻抗、

8、指向性、靈敏度、發(fā)射功率、尺寸等都是頻率的函數(shù)。一般說來，對發(fā)射換能器要計算它在諧振頻率上或在諧振頻率附近有限頻帶內(nèi)的性能指標，在這個頻率及其附近有最大的發(fā)射效率。對于寬帶接收換能器（壓電換能器）諧振頻率應遠高于接收頻帶的上限，以保證寬帶內(nèi)有平坦的接收響應且要計算它在諧振頻率及其以下頻段內(nèi)的接收響應。大型低頻聲納換能器的頻率在數(shù)十赫到數(shù)千赫，而小型目標探測聲納換能器在數(shù)十千赫到數(shù)百千赫。    （2）指向性    不管是換能器還是換能器陣，它們的發(fā)射響應或接收響應會隨著相對于它們的方向改變而變化。這就是換能器具有指向性，發(fā)射換能器發(fā)射

9、的聲波如同探照燈射出的光束一樣。由于換能器具有指向性就可以把聲能聚集到某個方位發(fā)射，使能量更加集中。采用許多換能器組成尺寸更大的基陣，在相同的頻率上指向性更加尖銳，能量更加集中，發(fā)射的距離更遠，在接收狀態(tài)下信噪比更大，作用距離也越遠。    （3）阻抗（或?qū)Ъ{）特性    換能器在諧振頻率附近可以看成一個簡單串并聯(lián)的等效電路。電路中的每一個電阻、電容或電感表示該換能器固有特性，這就是換能器阻抗（或?qū)Ъ{）特性。掌握了換能器的阻抗特性才能使它與發(fā)射機的末級回路或接收機的輸入電路相匹配。換能器的阻抗（或?qū)Ъ{）是一個復數(shù)，它是頻率的函數(shù)，一般

10、可表示成：Z(w)=R(w)+jX(w) （單位：歐姆）。         在機械共振時動態(tài)無功抗趨于零，靜態(tài)容抗可用匹配電感調(diào)諧此時可以把它看成一個純阻。壓電換能器電阻抗一般在數(shù)十歐姆到數(shù)千歐姆的范圍內(nèi)。    （4）發(fā)射功率    發(fā)射換能器的功能是將電子發(fā)射機的電功率轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械振動的機械功率，再把機械功率轉(zhuǎn)變?yōu)槁暪β拾l(fā)射出去。發(fā)射聲功率是指換能器在單位時間內(nèi)向介質(zhì)中輻射能量多少的物理量，功率的單位用瓦表示。換能器的發(fā)射功率受額定電壓（或電流

11、）、動態(tài)機械強度、溫度及介質(zhì)特性等因素的制約。     （5）發(fā)射響應    能夠全面反映發(fā)射換能器性能指標的是發(fā)射響應，主要有發(fā)射電壓響應和發(fā)射電流響應。發(fā)射電壓響應SV的定義是指發(fā)射換能器在指定方向上離其有效聲中心d0米距離上產(chǎn)生的自由場表觀聲壓Pf與加到換能器輸入端的電壓U的比值：SV=Pfd0/U。發(fā)射電壓響應通常用分貝表示。發(fā)射電流響應是指發(fā)射換能器在指定方向上離其有效聲中心d0米距離上產(chǎn)生的自由場表觀聲壓Pf與加到換能器輸入端的電流I的比值：SI=Pf d0/I 。發(fā)射電壓響應通常用分貝表示。

12、         （6）接收靈敏度    換能器的自由場電壓靈敏度指的是接收換能器在入射聲波的作用下，輸出端的開路電壓U(w)與自由場中（假設接收換能器不存在時）它的聲中心所在點的聲壓Pf(w)的比值M(w)。對于接收換能器而言，需要在很寬的頻率范圍內(nèi)接收入射聲信號，而壓電換能器通常是在低于諧振頻率的寬頻帶范圍內(nèi)工作。    （7）接收靈敏度的起伏    寬帶接收換能器要求在使用的頻范圍內(nèi)有比較平坦的接收響應。通常規(guī)定在工作頻

13、段內(nèi)接收電壓靈敏度起伏量為±1.5dB。4. 水聲換能器的制作材料 水聲換能器的制作材料是壓電陶瓷，利用了壓電陶瓷在極化狀態(tài)下的壓電效應達到電能和聲能之間的轉(zhuǎn)換。（1） 壓電效應：一塊有電極，經(jīng)過極化處理的壓電陶瓷，如果在他的上面加一個力，那么陶瓷片就會產(chǎn)生形變，同時還會產(chǎn)生電效應（如放電或充電現(xiàn)象）。相反，如果在陶瓷片的電極上加一個電壓，陶瓷片就會產(chǎn)生形變效應。由于形變而產(chǎn)生電效應，稱為正壓電效應；由于加電壓而產(chǎn)生性變效應，稱為逆向壓電效應。壓電效應反映了陶瓷的“壓”與“電”之間的線性耦合關系（2）壓電陶瓷的分類A鈦酸鋇 BaTiO3優(yōu)點：機電耦合系數(shù)高，化學性質(zhì)穩(wěn)定缺點：居里點低115o，機電性能常溫下不穩(wěn)定，強電場下介電損耗大，老化率較大。B. 鋯鈦酸鉛（PZT） Pb（ZrXTi1-X）O3壓電性能優(yōu)異；居里點高300400o，溫度穩(wěn)定性好；機械強度大；化學惰性；制作方便；可改變化學組分，添加雜質(zhì)，適合各種需求；（3）鋯鈦酸鉛壓電陶瓷分類PZT4（收發(fā)合置型，主要作為發(fā)射）：低機械損耗和介電損耗，大的交流退極化場，