换能器原理介绍复习课件.doc
- 格式：doc
- 大小：48.00 KB
- 文档页数：6
下载文档原格式
合集下载
换能器原理介绍
换能器原理介绍标准化管理处编码[BBX968T-XBB8968-NNJ668-MM9N]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、、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能量衰减的因素、检测目标（如缺陷）对超声波的特性、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。
7-8课时换能器34页PPT
医 用超声诊断 仪
五、 医用超声诊断换能器基本结构 换能器基本结构一般分三类
基本 单元 换能 器
基本 多元 换能 器
基本 聚焦 换能 器
医 用超声诊断 仪
单元压电换能器
主体部为功能部分
接收人体的 发射超声波
超声回波
作用于人体
外壳就是换 能器与超声 仪器主机连 接部分
医用B型的换能器为收发合一，发射超声能 量在 20mw/cm2 以下
一、换能器的功能
医 用超声诊断 仪
超声成像首先是要产生超声波信号和 接收超声波信号，完成这个任务的器 件就是超声换能器，常称为超声探头 （简称探头）。
医 用超声诊断 仪
将高频电能转换成 机械振荡的超声波 声能，形成超声场
向人体被测部位定 向辐射，同时又将 被测部位产生的各 种反射和散射回波 声能转变成可检测 的电能信号。
在超声波 诊断仪中 激励脉冲 的频率必 须与探头 的固有频 率相同。
医 用超声诊断 仪
压电振子的的等效电路
压电 振子
被覆激励电 极的压电体
可逆的机电换能系统
正压效应和逆压效应
电路
机械
两个系统组成的机电耦合系统
以压电振子的等效电路来分析处理力、声、电 综合系统变为简单化，所以压电振子的的等效 电路是设计制造超声换能器的主要方法。
诊断超声换能器既是超声诊断仪器的电/ 声转换的超声波发射传感器件，是声/电 转换的超声波接收传感器件
医 用超声诊断 仪
双 发射超声波
向
功
能
接收超声波
声、电 可逆变 换器件
是 医用超声诊断仪成像的重要部件
医 用超声诊断 仪
二、压电效应
1880 年法国物理学家居里兄弟将砝码分别放在 石英等晶体上，用静电计测量这些晶体表面， 发现晶体表面电荷与所加砝码的重量成正比。 居里兄弟进行试验又证明存在逆压电效应。
换能器技术PPT课件
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
1997，压电系数、机电耦合系数比通 常的锆钛酸铅压电陶瓷PZT（d33＝ 600pC/N,k33=70%）高出许多，分 别达到2000 pC/N和92％以上。其应 变量比通常的压电陶瓷高出10倍以上，
指向性圆管换能器模态分析结果
指向性圆管换能器流体中有限元模型
声场分布图
用云图表现动态位移分布
模拟静水压环境下壳体应力分布
电导纳曲线
发射电压响应曲线
优点：分析任意结构的换能器 。 结果直观、准确 ，结构优化方便有效 ，工程应用最广泛。
设计换能器必须掌握的几种计算机辅助工具
有限元分析软件 ANSYS、ATILA等,进行结构优化、电声性能预报等 科学计算软件 Matlab等，进行数值运计算。 工程制图软件 AutoCAD、SolidWorks，构画图纸进行机械加工
达到了1.7％
其他：压电聚合物（PVDF)、 压电复合材料等
C.按结构分
◆ 复合棒换能器（朗之万换能器、Tonpilz换能器）
复合棒换能器分解图
ngevin
后盖板采用重金属，前盖板采用轻金属，获取较高的前后振速比； 预应力螺栓施加预应力，可实现大功率输出； 前盖板呈喇叭形，可增加辐射面积，调节Q值。
类型
工作频率
带宽
声源级
指向性
复合棒换பைடு நூலகம்器 弯张换能器
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
1997，压电系数、机电耦合系数比通 常的锆钛酸铅压电陶瓷PZT（d33＝ 600pC/N,k33=70%）高出许多，分 别达到2000 pC/N和92％以上。其应 变量比通常的压电陶瓷高出10倍以上，
指向性圆管换能器模态分析结果
指向性圆管换能器流体中有限元模型
声场分布图
用云图表现动态位移分布
模拟静水压环境下壳体应力分布
电导纳曲线
发射电压响应曲线
优点：分析任意结构的换能器 。 结果直观、准确 ，结构优化方便有效 ，工程应用最广泛。
设计换能器必须掌握的几种计算机辅助工具
有限元分析软件 ANSYS、ATILA等,进行结构优化、电声性能预报等 科学计算软件 Matlab等，进行数值运计算。 工程制图软件 AutoCAD、SolidWorks，构画图纸进行机械加工
达到了1.7％
其他：压电聚合物（PVDF)、 压电复合材料等
C.按结构分
◆ 复合棒换能器（朗之万换能器、Tonpilz换能器）
复合棒换能器分解图
ngevin
后盖板采用重金属，前盖板采用轻金属，获取较高的前后振速比； 预应力螺栓施加预应力，可实现大功率输出； 前盖板呈喇叭形，可增加辐射面积，调节Q值。
类型
工作频率
带宽
声源级
指向性
复合棒换பைடு நூலகம்器 弯张换能器
常用压电陶瓷发射换能器课件
压电陶瓷发射换能器的优缺点
温度稳定性差
压电陶瓷的性能受温度影响较大，温度变化会影响其工作性 能。
成本较高
由于制造工艺和材料成本较高，导致压电陶瓷发射换能器的 成本较高。
02
压电陶瓷发射换能器的结 构与材料
压电陶瓷材料
压电陶瓷材料是具有压电效应的 陶瓷材料，能够在外部电场的作 用下产生形变，或者在内部应变
能器的频率响应范围。
带宽越宽，换能器的频率响应范 围越广，能够产生不同频率的声
波或振动。
带宽的测量单位是赫兹（Hz）， 不同用途的换能器有不同的带宽
要求。
效率与损耗
01
效率是压电陶瓷发射换 能器的能量转换效率， 它决定了换能器的性能 和效果。
02
效率越高，换能器的能 量转换效率越高，能够 产生更好的声波或振动 效果。
02
在制造过程中，需要控制材料的 成分和工艺参数，以保证换能器 的性能和稳定性。
03
压电陶瓷发射换能器的性 能参数
输出功率
输出功率是压电陶瓷发射换能 器的重要性能参数之一，它决 定了换能器的能量转换效率和 使用效果。
输出功率越高，换能器的能量 转换效率越高，能够产生更大 的声波或振动。
输出功率的测量单位是瓦特（ W），不同用途的换能器有不 同的输出功率要求。
工作原理
当压电陶瓷受到外部电场作用时，会产生形变，这种形变与电场方向相反，大 小成比例。通过施加交变电场，可以产生交变的形变，从而产生声波或超声波 。
压电陶瓷发射换能器的应用领域
医学成像
用于超声成像设备，如 超声诊断仪、超声治疗
仪等。
无损检测
用于检测材料内部结构 、缺陷等的无损检测设
备。
声学研究
换能器的工作原理
换能器的工作原理
换能器是一种能将一种形式的能量转换成另一种形式的装置。
在现代科技中，换能器被广泛应用于各种领域，比如声音、电能、
热能等的转换。
换能器的工作原理是基于能量守恒定律和能量转换
的物理原理，通过特定的结构和材料来实现能量的转换。
首先，我们来看声能到电能的转换。
声能到电能的转换是通过
压电效应实现的。
压电效应是指某些晶体在受到外力作用时会产生
电荷分布的变化，从而产生电压。
换能器中使用的压电材料会在声
波作用下产生机械振动，振动会导致晶体内部的正负电荷分布发生
变化，从而产生电压信号。
这样就实现了声能到电能的转换。
其次，电能到声能的转换是通过电磁感应原理实现的。
在换能
器中，电磁感应原理被应用于电能到声能的转换。
当电流通过导线时，会产生磁场，而当磁场与导体相互作用时，会产生力，导致导
体振动，从而产生声音。
这就是电能到声能的转换原理。
此外，换能器还可以实现热能到电能的转换。
热电效应是指在
两种不同温度的导体接触处，由于温差的作用而产生电压。
这种效
应被应用于热能到电能的转换中。
当换能器的一侧受到热能输入时，
另一侧则保持较低温度，由于温差的存在，就会产生电压信号，从而实现热能到电能的转换。
总的来说，换能器的工作原理是基于不同物理效应的应用，通过特定的结构和材料来实现能量的转换。
无论是声能到电能、电能到声能还是热能到电能的转换，都是基于物理原理的工作。
换能器在现代科技中有着广泛的应用，为各种领域的能量转换提供了重要的技术支持。
换能器原理
换能器原理
换能器是一种能够将一种形式的能量转换成另一种形式的装置。
它通过使用物理原理将能量从一个系统转移到另一个系统。
换能器的工作原理主要基于以下几个原理：电-声转换、声-电
转换、磁-电转换、电-热转换等。
首先考虑电-声转换。
在换能器中使用的电-声转换原理是压电
效应。
压电材料由于内部存在电偶极矩，在受到外部机械压力时会产生电荷分离。
当外加电场与压电材料的极化方向一致时，压电材料会发生形变，产生声波。
接下来是声-电转换。
使用声-电转换来实现换能器功能的一个
常用原理是压电效应的逆过程，即压电材料在受到声波作用时会发生振动，形成压电势差。
这个势差可以被外部电路感知并转化为电信号。
磁-电转换是另一种常见的换能器原理。
磁-电转换是利用磁感
应效应。
当一个导体在磁场中运动时，会产生电动势。
这个原理被用来制造感应发电机，将机械能转换成电能，并被广泛应用于发电和能量收集领域。
此外，还有一些换能器原理基于电-热转换。
这些换能器使用
材料的电阻加热效应或热电效应，将电能转换为热能。
这些换能器通常用于加热器，如电热水壶和电吹风等。
综上所述，换能器利用多种物理原理将一种形式的能量转换成
另一种形式。
这些原理包括电-声转换、声-电转换、磁-电转换以及电-热转换。
通过巧妙地设计和应用这些原理，换能器在许多领域中发挥着重要作用，如声学、电子学、能源等。
换能器工作原理
换能器工作原理
换能器是一种能够将一种形式的能量转换为另一种形式的装置。
它的工作原理基于能量转换的基本原理，通过改变能量的形式来实现不同能量间的转换。
在电子领域中，换能器通常指的是能将电能转换为其他形式能量的装置。
其中最常见的是将电能转换为机械能的电动机，以及将机械能转换为电能的发电机。
电动机的工作原理是利用电流在磁场中产生力矩，从而实现旋转运动。
当电流通过电动机的线圈时，会在线圈周围产生一个磁场。
这个磁场与电动机内部的磁场相互作用，产生力矩使电动机开始旋转。
这样，电能就被转换为了机械能，实现了能量的转换。
发电机的工作原理则是相反的过程。
当发电机旋转时，机械能驱动转子转动，同时在线圈和磁场之间产生感应电动势。
这个感应电动势会使电流在线圈中流动，并且产生出电能。
这样，机械能被转换为了电能，实现了能量的转换。
除了电力领域中的换能器，还有许多其他领域中的换能器。
例如，声音换能器能将声能转换为电能，光电池能将光能转换为电能，热电换能器能将热能转换为电能等等。
这些换能器都利用不同的物理原理实现能量的转换，从而在各个领域中发挥着重要的作用。
总之，换能器通过改变能量的形式，实现了不同形式能量之间
的转换。
无论是电能转换为机械能的电动机，还是机械能转换为电能的发电机，都是以能量转换的基本原理为基础实现的。
这些换能器在各个领域中都发挥着重要的作用。
第二部分超声换能器ppt课件
把两个力学量--应力τ和应变e与两个电学 量--电场强度E和电位移强度D联系在一 起，描述它们之间相互作用的表达式就 是所谓的压电方程。
– 处在工作状态下的压电体，其力学边界条件 可以有机械自由与机械夹紧两种情况，而电 学边界条件则有电学短路和电学开路两种情 况，根据不同的边界条件，选择不同的自变 量与因变量，介电损耗
电介质晶体突然受到电场作用时，极化强度并 不是一下子就达到最终值，即极化是一种弛豫 现象（极化弛豫）。
如果介质受交变电场作用，而交变频率又比较 高，就会使极化追随不及时而发生滞后，从而 引起了所谓的介质损耗，并使动态介电常数与 静态介电常数发生差异。
– 供给电介质的能量有一部分消耗在强迫固有电矩的 转动上并转变为热能而被消耗掉，
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
压电效应
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
压电陶瓷
压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。
材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴, 它有一定的极化方向, 从 而存在电场。
在无外电场作用时, 电畴在晶体中杂乱分布, 它们的极化效应被相 互抵消, 压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性, 不具有压电性质
– 处在工作状态下的压电体，其力学边界条件 可以有机械自由与机械夹紧两种情况，而电 学边界条件则有电学短路和电学开路两种情 况，根据不同的边界条件，选择不同的自变 量与因变量，介电损耗
电介质晶体突然受到电场作用时，极化强度并 不是一下子就达到最终值，即极化是一种弛豫 现象（极化弛豫）。
如果介质受交变电场作用，而交变频率又比较 高，就会使极化追随不及时而发生滞后，从而 引起了所谓的介质损耗，并使动态介电常数与 静态介电常数发生差异。
– 供给电介质的能量有一部分消耗在强迫固有电矩的 转动上并转变为热能而被消耗掉，
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
压电效应
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
认识到了贫困户贫困的根本原因，才 能开始 对症下 药，然 后药到 病除。 近年来 国家对 扶贫工 作高度 重视， 已经展 开了“ 精准扶 贫”项 目
压电陶瓷
压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。
材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴, 它有一定的极化方向, 从 而存在电场。
在无外电场作用时, 电畴在晶体中杂乱分布, 它们的极化效应被相 互抵消, 压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性, 不具有压电性质
换能器技术ppt课件
9
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
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
超声波换能器原理
这是一个作自由振动但有阻尼的换能器的对数减缩它等于rm2f0m对于qm大的换能器其频带宽度窄在谐振频率点上有较高的灵敏度即谐振峰尖锐一个短促的电脉冲就能使高qm值的发射换能器有一个较长持续时间的振铃存在就像敲锣击一下就会响一阵然而在检测技术应用中则不希望出现这种振铃干扰或者在接收时会因滤波作用即截止频率范围窄而使输出的电信号不能准确代表真实的宽频带超声脉冲同样以敲锣为例击一下马上用手捂住锣面则锣声短促即止
１－２
图1.1 电动式换能器基本结构示意图 我们知道，在电磁学中有下述关系式： F=Bli 和 e=Blυ 式中：F-作用力；i-电流；B-磁感应强度；l-导体长度；υ-导体运动速度；e-感应电势 根据电磁感应原理，对位于磁场中的导体通入电流i时，将有电磁作用力F作用于导体（如果磁场恒定不变，则电磁力F的大小与电流i成正比），根据左手定 则，导体将会在输入电流与磁场内磁力线相交平面的垂直方向产生位移（当电流方向改变时，作用力的方向也同时改变），这样就会带动与导体连接的振动膜 运动，进而推动振动膜周围的传声介质而发射机械振动波（声波）。相反，当与导体连接的振动膜受机械振动波（声波）作用而振动时，带动导体在磁场中运 动，切割磁力线，就会在导体两端产生感应电势，其方向决定于右手定则，这种感应电势即可作为接收信号输出。在实际应用中，通常在换能器外壳上附设体 积很小的升压变压器，把音圈上的感应电势升压后再输出。 常见的电动式换能器有动圈式扬声器及话筒，或带式传声器等。电动式换能器的结构简单牢固，方向性强，电声效率高，但由于其结构所限，不适用于高频场 合而多用于低频情况下工作，如音响装置中的低音扬声器。 4.电磁式换能器：这是利用电磁作用力和磁路中磁阻变化而起换能作用的器件，其结构如图1.2所示。
图1.4 电磁-声换能器在导电金属中激发超声波的基本作用原理示意图 在图1.4中，Bz为方向平行与板面的磁感应强度，Br为方向垂直与板面的磁感应强度；g为涡流的电流密度，它与输入电流方向相反。根据右手定则可确定洛伦 兹力F的方向在（a）中垂直于Bz与g的平面（垂直于板面）--激发纵波，在（b）中垂直于Br与g的平面（平行于板面）--激发横波。 根据电磁感应原理，在感应磁场B中作用于以速度V移动的电荷e上的力F（即洛伦兹力）有：F～eVB。当把通有交变电流i的线圈置于导电体上时，导电体中的 微小体积元dV中感应出以e和V确定的电流密度为g的涡电流。因此：F～gB，矢量g、B和F相互垂直且g与i反向（注意，由于交变电流存在趋肤效应，故dV应是 靠近导电体的表面）。 在接收超声波（如反射回波）时，响应于声压作用力使体积元dV在恒磁场B中振动，因此受力F’～eV’B，V’为振动速度。此力使带电质点运动产生电流密度 为g的交变电流即涡流。该涡流使配置在导电体上的检测线圈中感应产生感应电势（感应的交变电流）作为接收信号，其频率与接收到的超声波有相同的频 率，其大小则随有电致伸缩效应的多晶材料在经受外加应力产生应变时，其总的极化强度将会发生变化，即表现为电极化（产生电场）。 因此，电致伸缩效应可以说与电极化现象有关（自极化）。 从上述的压电效应和电致伸缩效应的结果来看，两者有几乎相同的表现形式。其中，正压电效应的表现结果与逆电致伸缩效应相当，而逆压电效应的表现结果 则与正电致伸缩效应相当。因此就宏观上来看，在实际应用中常把两者通称为压电效应，但必须注意到它们的物理意义有实质上的不同。在超声检测技术中， 对压电材料施加交变电场，该材料将沿电场方向发生交变应变，从而能在与它紧密接触的介质中激发出机械振动波-超声波。反之，对压电材料施加交变应力 （即受到超声波的作用）而使该材料发生交变应变时，则会在该材料上产生交变电场，从而达到接收超声波的目的。 利用电致伸缩效应现象的压电换能器常用压电陶瓷，如锆钛酸铅（PZT）、钛酸钡（BaTiO3）、铌酸铅（PbNb2O3）等。 压电式换能器的主要特点是电声转换效率高，特别是接收灵敏度高，但其机械强度较低（脆性大），因而在大功率应用上受到限制（不过目前的最新技术已能 达到数百瓦到上千瓦的声辐射功率）。此外，某些单晶材料容易溶于水而失效（水解）。 2.磁致伸缩式换能器 磁致伸缩式换能器利用了磁致伸缩效应，这时特定合金材料结晶结构的物理特性，即某些铁磁体及其合金，以及某些铁氧体中的磁畴，在其自发磁化方向上的 长度可能与其它方向上的不同。当有外加磁场作用时，由于这种磁畴将发生转动，使其磁化方向尽量与外磁场方向趋于一致，从而使该材料沿外磁场方向的长 度将发生变化，表现为弹性应变（当然，这种变形引起的应变是很小的，约在10-5~10-6之间）。这种现象即是磁致伸缩效应。相反，具有磁致伸缩效应的材料 在经受外加应力或应变时，其磁化强度也会发生改变，此即为逆磁致伸缩效应。 这样，在对磁致伸缩材料施以交变磁场时，该材料将沿磁力线方向发生磁致形变，从而可以在与它表面紧密接触的介质中激发出机械振动波-超声波。同样， 利用逆磁致伸缩效应则可达到接收超声波的目的：施加到磁致伸缩材料上的应变（弹性应力-超声波作用力）将使处在外加磁场中的该材料其磁场的磁通密度 发生变化（此即所谓磁弹性效应），从而使位于该材料表面上的检测线圈中将因磁通密度变化而产生感应电势，可以用作磁弹性效应的信号，达到接收超声波 的效果（注意磁场方向应和应力方向-超声波产生的质点振动方向一致）。 根据磁致伸缩的变化状态，可以分为： [1]线型磁致伸缩：在发生应变时，材料的体积不变，但在长度方向上伸缩变化的程度大，这是磁致伸缩式换能器主要应用的类型。但是，它只能在居里温度 以下的情况发生，若温度超过居里点后将只能存在体积型磁致伸缩。 [2]体积型磁致伸缩：在发生应变时，材料的体积也会发生变化。 磁致伸缩式换能器主要用于低频大功率的场合，这与其频率受限制和受磁性材料特性参数限制的因素有关，它特别是在功率超声应用领域中有着广泛应用，其 特点主要是机械强度高，性能稳定，水密要求低（不会水解）。但是，它的涡流和磁滞损耗较大，电声转换效率不如压电式换能器，而且通常需要有较大的激 励电能以用于大功率场合。 需要注意的是，在施以交变磁场时，由于趋肤效应的影响会使透入深度受到限制，因此这种磁致伸缩效应所波及的范围仅限于材料表面。在产生超声波时，超 声波的强弱取决于材料表层交变磁场的强度，此外，传声介质与材料表面接触的紧密程度（声耦合）也极为重要。 常用于磁致伸缩式换能器的材料有金属镍、金属钴、铁钴合金、铁镍合金、镍铁氧体、镍锌铁氧体、镍铜铁氧体等。 3.电动式换能器 这是一种把电能转换成机械能，或把机械能转换为电能的装置，其结构如图1.1所示，与膜片相连的圆筒上有细漆包线缠绕的线圈即音圈，该圆筒套在中心磁 导体上。
１－２
图1.1 电动式换能器基本结构示意图 我们知道，在电磁学中有下述关系式： F=Bli 和 e=Blυ 式中：F-作用力；i-电流；B-磁感应强度；l-导体长度；υ-导体运动速度；e-感应电势 根据电磁感应原理，对位于磁场中的导体通入电流i时，将有电磁作用力F作用于导体（如果磁场恒定不变，则电磁力F的大小与电流i成正比），根据左手定 则，导体将会在输入电流与磁场内磁力线相交平面的垂直方向产生位移（当电流方向改变时，作用力的方向也同时改变），这样就会带动与导体连接的振动膜 运动，进而推动振动膜周围的传声介质而发射机械振动波（声波）。相反，当与导体连接的振动膜受机械振动波（声波）作用而振动时，带动导体在磁场中运 动，切割磁力线，就会在导体两端产生感应电势，其方向决定于右手定则，这种感应电势即可作为接收信号输出。在实际应用中，通常在换能器外壳上附设体 积很小的升压变压器，把音圈上的感应电势升压后再输出。 常见的电动式换能器有动圈式扬声器及话筒，或带式传声器等。电动式换能器的结构简单牢固，方向性强，电声效率高，但由于其结构所限，不适用于高频场 合而多用于低频情况下工作，如音响装置中的低音扬声器。 4.电磁式换能器：这是利用电磁作用力和磁路中磁阻变化而起换能作用的器件，其结构如图1.2所示。
图1.4 电磁-声换能器在导电金属中激发超声波的基本作用原理示意图 在图1.4中，Bz为方向平行与板面的磁感应强度，Br为方向垂直与板面的磁感应强度；g为涡流的电流密度，它与输入电流方向相反。根据右手定则可确定洛伦 兹力F的方向在（a）中垂直于Bz与g的平面（垂直于板面）--激发纵波，在（b）中垂直于Br与g的平面（平行于板面）--激发横波。 根据电磁感应原理，在感应磁场B中作用于以速度V移动的电荷e上的力F（即洛伦兹力）有：F～eVB。当把通有交变电流i的线圈置于导电体上时，导电体中的 微小体积元dV中感应出以e和V确定的电流密度为g的涡电流。因此：F～gB，矢量g、B和F相互垂直且g与i反向（注意，由于交变电流存在趋肤效应，故dV应是 靠近导电体的表面）。 在接收超声波（如反射回波）时，响应于声压作用力使体积元dV在恒磁场B中振动，因此受力F’～eV’B，V’为振动速度。此力使带电质点运动产生电流密度 为g的交变电流即涡流。该涡流使配置在导电体上的检测线圈中感应产生感应电势（感应的交变电流）作为接收信号，其频率与接收到的超声波有相同的频 率，其大小则随有电致伸缩效应的多晶材料在经受外加应力产生应变时，其总的极化强度将会发生变化，即表现为电极化（产生电场）。 因此，电致伸缩效应可以说与电极化现象有关（自极化）。 从上述的压电效应和电致伸缩效应的结果来看，两者有几乎相同的表现形式。其中，正压电效应的表现结果与逆电致伸缩效应相当，而逆压电效应的表现结果 则与正电致伸缩效应相当。因此就宏观上来看，在实际应用中常把两者通称为压电效应，但必须注意到它们的物理意义有实质上的不同。在超声检测技术中， 对压电材料施加交变电场，该材料将沿电场方向发生交变应变，从而能在与它紧密接触的介质中激发出机械振动波-超声波。反之，对压电材料施加交变应力 （即受到超声波的作用）而使该材料发生交变应变时，则会在该材料上产生交变电场，从而达到接收超声波的目的。 利用电致伸缩效应现象的压电换能器常用压电陶瓷，如锆钛酸铅（PZT）、钛酸钡（BaTiO3）、铌酸铅（PbNb2O3）等。 压电式换能器的主要特点是电声转换效率高，特别是接收灵敏度高，但其机械强度较低（脆性大），因而在大功率应用上受到限制（不过目前的最新技术已能 达到数百瓦到上千瓦的声辐射功率）。此外，某些单晶材料容易溶于水而失效（水解）。 2.磁致伸缩式换能器 磁致伸缩式换能器利用了磁致伸缩效应，这时特定合金材料结晶结构的物理特性，即某些铁磁体及其合金，以及某些铁氧体中的磁畴，在其自发磁化方向上的 长度可能与其它方向上的不同。当有外加磁场作用时，由于这种磁畴将发生转动，使其磁化方向尽量与外磁场方向趋于一致，从而使该材料沿外磁场方向的长 度将发生变化，表现为弹性应变（当然，这种变形引起的应变是很小的，约在10-5~10-6之间）。这种现象即是磁致伸缩效应。相反，具有磁致伸缩效应的材料 在经受外加应力或应变时，其磁化强度也会发生改变，此即为逆磁致伸缩效应。 这样，在对磁致伸缩材料施以交变磁场时，该材料将沿磁力线方向发生磁致形变，从而可以在与它表面紧密接触的介质中激发出机械振动波-超声波。同样， 利用逆磁致伸缩效应则可达到接收超声波的目的：施加到磁致伸缩材料上的应变（弹性应力-超声波作用力）将使处在外加磁场中的该材料其磁场的磁通密度 发生变化（此即所谓磁弹性效应），从而使位于该材料表面上的检测线圈中将因磁通密度变化而产生感应电势，可以用作磁弹性效应的信号，达到接收超声波 的效果（注意磁场方向应和应力方向-超声波产生的质点振动方向一致）。 根据磁致伸缩的变化状态，可以分为： [1]线型磁致伸缩：在发生应变时，材料的体积不变，但在长度方向上伸缩变化的程度大，这是磁致伸缩式换能器主要应用的类型。但是，它只能在居里温度 以下的情况发生，若温度超过居里点后将只能存在体积型磁致伸缩。 [2]体积型磁致伸缩：在发生应变时，材料的体积也会发生变化。 磁致伸缩式换能器主要用于低频大功率的场合，这与其频率受限制和受磁性材料特性参数限制的因素有关，它特别是在功率超声应用领域中有着广泛应用，其 特点主要是机械强度高，性能稳定，水密要求低（不会水解）。但是，它的涡流和磁滞损耗较大，电声转换效率不如压电式换能器，而且通常需要有较大的激 励电能以用于大功率场合。 需要注意的是，在施以交变磁场时，由于趋肤效应的影响会使透入深度受到限制，因此这种磁致伸缩效应所波及的范围仅限于材料表面。在产生超声波时，超 声波的强弱取决于材料表层交变磁场的强度，此外，传声介质与材料表面接触的紧密程度（声耦合）也极为重要。 常用于磁致伸缩式换能器的材料有金属镍、金属钴、铁钴合金、铁镍合金、镍铁氧体、镍锌铁氧体、镍铜铁氧体等。 3.电动式换能器 这是一种把电能转换成机械能，或把机械能转换为电能的装置，其结构如图1.1所示，与膜片相连的圆筒上有细漆包线缠绕的线圈即音圈，该圆筒套在中心磁 导体上。
- 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)。
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。
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）这是指换能器（或整个仪器系统）输出端的特定量与输入端的另一特定量之比值，通常有以下几种具体性能：[1]接收电压灵敏度（又称接收电压响应，自由场电压灵敏度）：接收换能器输出端的开路电压与声场中引入换能器前存在于换能器声中心位置处自由场声压之比。
常用单位有伏特/微巴（V/μbar）、伏/帕（V/Pa）和分贝（dB）。
这里所谓的自由场是指均匀各向同性媒质中可以忽略边界影响时的声场。
有效声中心是指在发生器上或附近的一点，从远处观察时似乎声波是从该点发出的球面发散声波，即声源直径很小以至可以近似地把它看作点声源。
在给出换能器自由场电压灵敏度时，一般还应同时指明参考点，指定方向和输出端。
若是接收换能器输出端阻抗无限大时，则此时的接收电压灵敏度就称为开路灵敏度（或称开路响应）。
就所用单位而言，“伏特/微巴”意味着作用在换能器上的声压为1微巴（1μbar=0.1N/m2=1达因/厘米2）时在换能器输出端负载上可得到1伏特的电压，显然此值越大，则接收灵敏度越高，因为换句话来说，就是一定的声压作用能得到较大的开路电压。
在用分贝（dB）表示时：△dB=20lgM0（V/μbar）/1（V/μbar）这是以1V/μbar为零分贝（参考点灵敏度），将观测到的灵敏度除以参考点灵敏度所得到的商再取以10为底的对数并乘以20，从而得到用分贝表示的自由场电压灵敏度。
[2]接收电流灵敏度（接收电流响应，自由场电流灵敏度）：接收换能器输出端的短路电流与声场中引入换能器前存在于换能器声中心位置处自由场声压之比。
常用单位有安培/微巴（A/μbar），安培/帕（A/Pa）和分贝（dB）。
[3]声压灵敏度（声压响应）：接收换能器输出端开路电压与换能器接收面上实际声压之比，单位为伏特/帕（V/Pa）。
注意该参数与[1]是不同的。
[4]发送电压灵敏度（发送电压响应）：这是用于发射换能器的性能，它指在某频率下，在指定方向上，离开发射换能器有效声中心1米处的表观声压与施加在发射换能器输入端上的信号电压之比，单位为帕/伏特（Pa/V），故此参数和[1]相反。
[5]发送电流灵敏度（发送电流响应）：这也是用于发射换能器的，它指在某频率下，在指定方向上，离开发射换能器有效声中心1米处的表观声压与施加在发射换能器输入端上的信号电流之比，单位为帕/安培（Pa/A）。
[6]发送功率响应：在指定方向上离开发射换能器有效声中心1米处的表观均方声压与发射换能器输入功率之比，单位为平方帕（Pa2）。
[7]发送效率：发射换能器的总输出声功率与输入电功率之比。
在考虑输入电功率时，一般不计入为供应固定偏压或励磁用的电功率。
注意此参数与换能效率密切相关。
[8]频率响应：理想换能器的频率响应特性要求输出电压与声压成正比而与声波频率无关，这主要是用于接收换能器的性能，与频带范围有关。
3.频带宽度△f对换能器而言时，是指换能器发送响应或接收灵敏度响应的曲线上低于最大响应3分贝时两个频率之差，称为换能器的频带宽度△f （-3dB），如图所示：在图中，f0为最大响应时的频率，而频带宽度则为：△f=f2-f1换能器的频带宽度△f与换能器机械品质因素Qm和最大响应频率f0（机械共振频率）有关，他们三者的关系为：Qm=f0/△f4.品质因素Q这是对单自由度的机械或电学系统共振尖锐度或频率选择性的度量，有机械品质因素Qm和电学品质因素Qe两类。
特别要指出，机械品质因素Qm是换能器谐振特性、频带宽度或阻尼的一个量度，尤其是阻尼对换能器的工作状态有非常密切的关系。
Qm对换能器产生的波形和接收时的响应曲线等有着重要的影响。
机械品质因素Qm的定义为：Qm=ω0M/Rm=π/δ≈f0/△f式中：ω0-谐振时的角频率，即ω=2πf0；f0-机械共振频率；△f-频带宽度，它等于图1.6中的（f2-f1），这里的f1和f2分别是低于和高于f0的频率，在该频率处速度振幅将下降到它的极大值（谐振点）的1/（21/2），即20lg1/（21/2）=3dB；M-振动系统的等效质量，这在通常是把换能器当作具有分布常数来进行测定的；Rm-换能器机械阻抗的力阻分量，它相当于换能器中的能量消耗；δ-这是一个作自由振动但有阻尼的换能器的对数减缩，它等于Rm/2f0M对于Qm大的换能器，其频带宽度窄，在谐振频率点上有较高的灵敏度，即谐振峰尖锐，一个短促的电脉冲就能使高Qm值的发射换能器有一个较长持续时间的“振铃”存在（就像敲锣，击一下就会响一阵，然而在检测技术应用中则不希望出现这种“振铃”干扰），或者，在接收时会因“滤波”作用（即截止频率范围窄）而使输出的电信号不能准确代表真实的宽频带超声脉冲（同样以敲锣为例--击一下马上用手捂住锣面，则锣声短促即止）。
在实际应用中，需要施加到换能器上的发射电压在理论上能在辐射表面上产生尽可能大的振幅位移（达到谐振状态），而在撤除此电压后，换能器应能尽快地停振，即使得振幅回零（这样就可以产生短促的声脉冲）。
在接收状态下，则应使应力脉冲（声脉冲）施加到理想的接收换能器上时不会产生“振铃”现象，输出的电信号才能真实地再现应力波的情况。
从上述这些要求来看，都希望换能器的Qm值较低为好。
Qm值的大小除与换能元件本身的材料特性有关外，通常可以通过附加阻尼的方法来降低Qm值，而且，在Qm值较低时，换能器的频率响应将趋于较平坦的曲线，获得较好的，但也相应降低了灵敏度。
5.阻抗特性在检测系统中，换能器的作用可以等效于一个电路元件，可以利用电路回路的等效阻抗分析方法描述换能器的工作特性，换能器的阻抗特性与换能器本身的工作方式、组装结构以及换能元件的材料特性等密切相关。
换能器的阻抗特性还应该能与仪器发射电路的抗相匹配，才能达到最佳谐振状态--达到最佳发射特性。
6.指向性因素在检测技术中，一般都要求所使用的换能器有尖锐的指向性，就象使用聚光手电筒照明，这样有利于集中发射能量，在接收时能获得较高的信噪比，也有利于对检测目标的定位评定。
换能器的指向性与其辐射面尺寸、结构、工作频率和传声介质特性等相关，通常可用指向性因素来反映换能器的指向性：对于发射换能器，所谓指向性因素是指在发射声束的主轴线声压（最大值方向）上，远离发射换能器的某一定点处某频率的均方声压与通过该点和换能器同心的球面上某点同一频率的均方声压之比。
对于接收换能器，则是指沿换能器主轴线传来某频率声波所产生的电动势平方值与频率相同、方均根声压相同的扩散声场所产生的电动势平方值之比。
指向性因素也可以用分贝（dB）表示，这是称为指向性指数，它等于指向性因素的常用对数乘10。
对于发射换能器，指向性指数也可称作指向性增益。
点声换能器的指向性指数为：DI=10lgI/I0式中：I-与声源距离r的轴线上声强；I0- I0 =W/4πr2，W=∫sIds，这里W是声源向整个空间辐射的总功率。
7.噪音级由于换能器的内阻、导线或负载上分子（或原子）的热运动，即使在外来声压为零的情况下，换能器仍会有一定的电压输出，即为噪音电压Un，其值与换能器灵敏度（响应）U无关。
噪音电压的绝对值大小并不重要，重要的是它与换能器灵敏度的比值，通常采用相对噪音级表示，即：Nn=20lgUn/U （dB）显然，噪音级的值应越小越好。
除了上述几种主要性能外，在实际应用中反映换能器工作性能的因素还有动态范围、有效带宽、波束宽度、换能器损失等。
例如，本专业在超声检测技术中对所用的超声换能器有其特定的要求，包括：检测用超声换能器一般不需要大功率，而往往只需较小的功率，因为检测用超声波的声强应小到不至引起传声介质的性质发生变化，同时又有足够的强度使接收到的信号明显大于噪音（因此大多采用脉冲波，其瞬时功率较大可以保证有足够的信噪比，而平均功率较小，也使得换能器比较轻巧灵活便于使用）；作为检测用的换能器，由于是用作物理量的测量，故必须有较好的时间稳定性和温度稳定性等；在换能过程中，应尽可能保持波形不变（即波形畸变要尽可能地小）才能真实反映检测对象的特征；对换能器的振动方式有特殊要求，一边能在传声介质中激发出所需要波型的超声波，例如纵波、横波、瑞利波、兰姆波、爬波等等；此外，在检测条件、对象及环境的需要下，对换能器也有相应的特殊要求，如用于高温、低温环境，水下检测等等。