《换能器技术》PPT课件

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。

目录电声换能器分类电声换能器系统组成电声换能器主要性能电声换能器分类o广义的电声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。

电声换能器系统组成o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。

电声换能器主要性能o 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。

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，称为电声换能器，简称换能器。

SL-声源级，反映发射换能器辐射声功率大小。

提高声源级，即提高辐射信号的强度，相应也提高回声信号强度，增加接收信号的信噪比，从而增加声呐的作用距离。

PZT4(发射型)：低机械损耗和介电损耗，大的交流退极化场、介电常数、机电耦合系数、压电常数，适合强电场、大振幅激励，用作发射。

PZT5(接收型)：高耦合系数、压电应变常数，优异的时间稳定性。

PZT8(大功率发射型)：高抗张强度和稳定性，高机械Q值，适合大振幅激励。

自发形变,在压电陶瓷的晶格结构中，晶胞的大小形状与温度相关t＞Tc(居里温度)，立方晶胞t＜Tc，c边增大，a,b边缩小，四角晶胞(菱方晶胞)由于这种变化是温度变化时，晶胞自发产生的，因此称自发形变。

由于压电陶瓷具有钙钛矿结构ABO3t＞Tc(居里温度)，立方晶胞中正负离子的对称中心重合，不呈电性；t＜Tc，晶格变为四角晶胞，晶胞中正负离子的对称中心不再重合，产生电矩。

自发极化在居里温度Tc以下，晶胞发生自发形变的同时，又自发产生电矩，电矩的方向是沿着边长增大的方向，就是自发极化。

四角晶胞：电矩方向是c轴方向；菱方晶胞：电矩方向是菱方体的对角线方向。

极化强度：单位体积内电矩的矢量和。

压电陶瓷内部包含许多电畴，极化方向杂乱无章，沿空间各方向均匀分布。

因此电矩的矢量和为0，即极化强度为0。

这种状态，被称为去极化状态压电效应1．正向压电效应——压电陶瓷在受到外力作用时，除发生形变和内部产生应力外，还会产生极化强度和电位移，而且产生的极化强度和电位移与应变和应力成正比。

2.反向压电效应——压电陶瓷在受到电场作用时，除产生极化强度和电位移外，还会发生形变和内部产生应力，而且产生的应变和应力与极化强度和电位移成正比。

压电陶瓷的电位移在量值上等于电极面上自由电荷的面密度带宽在换能器的发射响应曲线上,低于最大响应3dB的两个频率差定义为换能器的-3dB频带宽度,简称带宽.指向性换能器或基阵的发射响应或接收灵敏度的幅值随方位角的变化而变化的一种特性.发射响应换能器或基阵在指定方向上,距其等效声中心1米远处所产生的球面波自由场声压与其输入端电学量之比声源级在声场中指定方向上,距其等效声中心1米远处所产生的球面波自由场声压对应平面行波的声强级辐射声功率描述发射器在单位时间内向水中介质中辐射能量多少的物理量机电耦合系数是在理想状态下定义的,在理想状态下未转换的能量不是损耗掉,而是以弹性方式或介电方式储存起来.有效机电耦合系数等效电路法换能器看为做机械振动的弹性体,依据波动理论可以得到他的机械振动方程;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复合棒换能器主要结构特点1为了得到大的前后盖板振速比,前盖板采用轻金属(硬铝,硬镁合金)后盖板重金属(钢,黄铜)2前盖板设计成喇叭形_降低Q值3压电片数目为偶数,相邻两片极化方向相反,并联连接4金属节板位于振动的节点上,用于固定换能器5用金属螺杆施加预应力,可以增加功率极限接收灵敏度1畸变系数当接受器放入声场后声波会在接收器表面发生衍射,实际作用在接收器表面的声压Pr与入射波声压Pf(自由场声压)的关系Pr=ｒPf (ｒ畸变系数)2种类自由场电压(电流)灵敏度声压灵敏的电压(电流) 3自由场电压灵敏度换能器输出端的开路电压eoc与放入换能器前置换能器处的自由场声压Pf的比值Me=eoc/Pf自噪声压电陶瓷在一定温度下内部分子的热运动产生的噪声(宽频噪声)自噪声的大小决定了水听器能够测量的有用信号的最小值.等效噪声声压设有一正弦波入射到水听器上,输出电压的有效值等于水听器上自噪声在1Hz 带宽上的均方根电压值,则入射声压的有效值称为等效噪声声压.指向性的技术指标主瓣指向性图中,中间波束具有最大声压,也称主波束旁瓣主波束两侧的波束称为旁瓣或次波束全开角主瓣幅度降为零所夹的开角波束宽度主瓣幅度降至0.707所夹的开角最大旁瓣级个数少使功率集中在主瓣,提高作用距离,便于判定目标方位.幅度小接收时,可以减少从旁瓣接收到的干扰信号和噪声指向性因数在声轴上,某一远场处的声强与同距离各方向的平均声强之比. 由于指向性因数是反映辐射能量集中程度的又称聚集系数物理意义一个有指向性的发射器,在主波束方向上,其远场中某距离处的声强比同等功率下无指向性发射器在同一点处产生的声强大Rθ倍指向性指数DI=10logRθ乘积定理具有指向性的基元组成的基阵,其指向性函数是基元本身的指向性函数与点源组成基阵的指向性函数的乘积应用要求使用乘积定理时基阵的指向性函数参考方向必须与阵中各基元的参考方向一致.。

换能器就是进行能量转换的器件，是将一种形式的能量转换为另一种形式的能量装置。

在声学研究领域，换能器主要是指电声转换器，它能实现电能和声能之间的相互转换。

值得指出的是，这里所说的电声换能器的含义比电学领域中的扬声器和传感器等所谓的电声换能器的含义要广的多。

目前，从大到像整栋楼房的水生换能器基阵。

到小至可以深入血管的小探针式换能器，各式各样声学换能器的应用已经使声学技术深入到科学研究和工程技术的各个领域。

例如，超声加工、超声清洗、超声探测、检测、监测、遥控、遥感、超声马达、超声焊接、交通监测、机器人成像信息采集。

国际上对其研究十分活跃，尤其是在压电驱动器和超声治疗方面有所突破。

近年来，我国在压电换能器的研制、应用和开发方面越来越重视，并且取得了一定的成绩，有些研究成果与国外已很接近，甚至处于先进水平。

压电超声换能器是以压电材料为核心部分的换能器件，在超声领域，压电超声换能器是应用最为广泛的一种声电转换元件，压电超声换能器是通过各种具有压电效应的电介质，如石英、压电陶瓷、压电复合材料和压电薄膜等，将电信号转换成声信号，或将声信号转换成电信号，从而实现能量的转换，其优点在于以下几个方面[3,4]：第一、在高频范围，压电超声换能器能够产生一个类似于刚性活塞的均匀振动发生器，而其他的换能器，如用于低频振动的电动扬声器等，是很难做到这一点的。

第二、结构简单，易于激励。

当经过极化以后的压电陶瓷元件被用于换能器以后，换能器的激励将不再需要极化电源，从而简化了压电换能器的激励电路。

其他类型的换能器，如磁致伸缩换能器等，由于需要一个直流极化电源，而使换能器的激励变得复杂。

第三、压电换能器易于成型加工，因而可用于许多不同的应用场合。

压电陶瓷材料是目前压电超声换能器中最常用的压电材料，其优点包括[5]：第一、机电转换效率高，一般可达到80%左右；第二、容易成型，可以加工成各种形状，如圆盘、圆环、圆筒、圆柱、矩形以及球形等；第三、通过改变成分可以得到具有各种不同性能的超声换能器，如发射型接受型以及收发两用型等；第四、造价低廉，性能稳定，易于大规模生产和推广应用。

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。

目录电声换能器分类电声换能器系统组成电声换能器主要性能电声换能器分类o广义的电声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。

电声换能器系统组成o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。

电声换能器主要性能o 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。