第三讲让声纳系统耳目一新_新型水声换能器与换能器新技术

一文读懂换能器一文读懂换能器文| 传感器技术（WW_CGQJS）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”。

声呐换能器通
声呐换能器是一种在声呐系统中实现声能与其他形式的能如机械能、电能、磁能等相互转换的装置。

它具有两个主要用途：发射声波和水下接收声波。

发射换能器可以将电能或机械能转换为声波，而接收换能器则将水中的声波转换为电能或机械能，以便后续的信号处理和声呐数据的生成。

在实际应用中，声呐换能器通常同时承担发射和接收声波的任务，这使得它们能够有效地进行水下探测和目标定位。

由于水下声波的传播特性，声呐换能器在军事、海洋科学研究、水下考古等领域得到了广泛的应用。

声呐换能器的工作原理主要是基于某些材料的压电效应或磁致伸缩效应。

当电场或磁场作用于这些材料时，它们会伸长或缩短，从而产生声波或改变声波的相位。

通过精确控制电场或磁场，可以生成特定频率和波束形状的声波，实现声呐的定向探测和信号处理。

总之，声呐换能器是声呐系统中的核心器件，它能够实现声能与其他形式能量的相互转换，为水下探测和定位提供关键的技术支持。

2020年第 3 期 声学与电子工程 总第 139 期32声呐浮标换能器的技术设计孙好广 程启航（第七一五研究所，杭州，310023）摘要 声呐浮标使用环境的特殊性，对换能器的要求是小尺寸、低频、大功率、高效率及高灵敏度。

发射阵阵元多采用弯曲圆盘换能器，具有结构简单、易成阵的特点，也容易进行扩展和密排成阵；扩展阵在工作时扩展成一条直线线列阵，提高了阵增益；利用互辐射原理，进行密排阵，在不降低换能器耐静水压能力的条件下，降低了发射阵的谐振频率，保持与基元相当高的电声效率。

关键词 声呐浮标；弯曲圆盘换能器；扩展阵；密排阵；水听器声呐浮标是反潜巡逻飞机、反潜直升机的重要装备之一。

在搜潜任务中，声呐浮标换能器接收到水中的声信号，并将信号转换为电信号，通过放大滤波等处理进入浮标处理系统接收机；或将电信号经发射机加到换能器上，变成声信号发射出去。

由于声呐浮标是一次性消耗品，浮标换能器低成本是核心；声呐浮标工作所需要的电能来自电池，因此换能器工作效率高是基本要求；搜潜是声呐浮标的使命，因此要求换能器工作在低频。

相对其它声呐项目换能器而言，只是没有工作寿命的要求。

对于电声转换的传感器，所用的无源材料有多种，如压电陶瓷、光纤、磁感等。

对于水声设备而言，常用的是压电陶瓷，它具有高的功率密度，可以制作大功率器件；成本较低，广泛应用水声换能器领域。

1设计要求声呐浮标换能器的基本技术要求：（1）尺寸要小，能装入浮标投放筒中，即要求直径不大于100 mm；（2）高效率，电声效率一般不低于80%；（3）成本要低，换能器占一枚浮标的价格大约10～20%；（4）一致性要求，如基元的谐振频率、接收灵敏度等要求离散性要小。

压电陶瓷发射换能器通常工作在其一阶模态频率，对于不同形状的换能器一般主要有径向振动模态、纵向振动模态、横向振动模态和弯曲模态等。

这些模态频率中，只有弯曲模态基本满足声呐浮标换能器的技术要求，部分特殊类型的浮标换能器采用圆管换能器。

新型声纳传感器的设计和制造随着科技的不断发展，传感技术也在不断更新换代。

在现代战争中，声纳传感器作为一种重要的探测手段，能够对水下目标进行精确定位和跟踪，发挥着至关重要的作用。

然而，传统声纳传感器存在着工作频率狭窄、灵敏度较低等问题，这些问题严重影响了声纳传感器的探测能力。

为了解决这些问题，科技工作者开始研制新型的声纳传感器。

一、新型声纳传感器的工作原理新型声纳传感器主要利用声学原理，通过发射声波或接收声波来进行探测和分析。

与传统声纳传感器不同的是，新型声纳传感器一般采用多频段设计，可以在宽频段范围内进行工作。

这种设计可以避免频率受限的问题，提高了声纳传感器的探测精度和距离分辨率。

在新型声纳传感器中，通常采用共面阵列或交错阵列结构，可以对水下目标进行多角度、多方位的探测，增加了传感器的探测范围和深度。

同时，新型声纳传感器还采用了高灵敏度的接收器件，能够在较远距离内捕捉到微弱的声波信号，增强了系统的噪声抑制能力和目标跟踪能力。

二、新型声纳传感器的制造过程新型声纳传感器的制造过程一般分为设计、模拟、制备、性能测试、包装等环节。

在设计环节中，需要根据实际需求，确定传感器的工作频率范围、探测深度和分辨率等指标，制定合理的设计方案并进行仿真分析。

在模拟环节中，需要对传感器的电路和声学特性进行仿真模拟，并评估传感器的性能。

在制备环节中，需要将模拟设计转化为实际制造过程，选择合适的材料和工艺，利用微加工技术精细制造出声纳传感器的结构和元件。

在性能测试环节中，需要对制造出来的声纳传感器进行测试，包括灵敏度、信噪比、频率响应等方面的测试，并对测试结果进行分析和评估。

最后，在包装环节中，对传感器进行封装，保护电路和元件不被损坏，同时方便进行组装和使用。

三、新型声纳传感器的应用前景新型声纳传感器在海洋勘探、大洋科学、水下目标探测等方面有着广泛的应用前景。

在海洋勘探方面，新型声纳传感器可以对海底地形进行高精度地图绘制，区分不同海底材质，并探测出潜在的石油和天然气储层。

水声换能器Underwater Acoustical Transducer一、课程基本情况课程类别：专业方向选修课课程学分：3学分课程总学时：48 学时，其中讲课：48学时。

课程性质：选修，需同时选修“水声测量技术”开课学期：第5学期先修课程：水声学基础适用专业：海洋技术专业本科生教材：水声换能器原理，路德明，青岛海洋大学出版社，第一版，2009o开课单位：海洋科学学院海洋技术专业二、课程性质、教学目标和任务(-)课程性质：专业方向选修课(-)教学目标水声换能器是水声设备的主要原器件之一，本课程主要讲授压电水声换能器及其组成的基阵的工作原理和基本性能。

通过本课程的学习，学生可以明确水声压电换能器在水声应用中的重要地位；理解压电材料以及磁致伸缩材料的物理性质；掌握描述换能器性能的儿个重要指标；掌握几种常用换能器的结构、分析设计方法和工作原理；明确换能器和基阵的方向特性及其改善方法。

通过该课程的学习，为本专业学生更好的从事水声技术研究奠定基础。

(三)教学任务本课程是针对海洋技术专业高年级本科生开设的一门选修课，要求具备一定的传感器、声学和海洋学方面的专业知识的学生选修。

教学内容密切结合其它专业课的学习，如声学基础、数学物理方法、水声学原理.、水声专业实验等，突出本课程的重点，保证本课程教学的流畅以及结构的完整，注重理论与实践相结合。

三、教学内容和要求(一)总论学时数：4,其中课时4,实验0。

1、主要内容：水声换能器的开展历史、研究意义、分类、分析设计方法和主要性能指标。

2、教学要求：掌握换能器的分析设计方法和主要性能指标，理解水声换能器的开展历史、及其开展趋势、换能器的分类等。

3、重点、难点：4、其它教学环节：讨论水声换能器在军事和民事上的应用及开展趋势。

（二）第一章：压电材料的物理性质学时数：6,其中课时4,实验4。

1、主要内容：压电材料的介电性、弹性性质和压电性质。

2、教学要求：掌握压电材料的介电性、弹性性质和压电性质。

水声换能器基础滕舵以水声换能器基础为题，我们来探讨一下水声换能器的相关知识和应用。

水声换能器是一种能够将水中的声能转化为电能的装置。

它的工作原理是利用压电效应或磁电效应，将水中的声波信号转化为电信号，从而实现声音的传输和检测。

水声换能器在海洋工程、水声通信、声纳探测等领域有着广泛的应用。

水声换能器的基本结构包括压电材料或磁电材料、电极、负载电阻等组成。

其中，压电材料是通过应力作用产生电荷，而磁电材料则是通过磁场的改变产生电荷。

当水声波传入水声换能器时，压电材料或磁电材料会产生相应的电荷，从而生成电信号。

常见的水声换能器有压电式和磁电式两种。

压电式水声换能器主要由压电材料和电极组成，其工作原理是利用压电材料在受到声波作用时会产生电荷的特性。

磁电式水声换能器则是利用磁电材料的磁场改变产生电荷，从而实现声波到电信号的转换。

水声换能器在海洋工程中有着重要的应用。

海洋工程中需要进行海底地形测量、海洋生物探测等任务，而水声换能器可以作为声纳设备的核心部件，用于接收和发送声波信号。

通过测量声波信号的回波时间和幅度，可以获取海洋中的地形信息和生物信息。

水声换能器在水声通信中也起到了关键的作用。

水声通信是一种在水下进行信息交流的技术，其特点是传输距离远、传输速率低。

水声换能器可以将电信号转化为声波信号，通过水中的传播来实现通信。

在海洋探测、水下导航等领域，水声通信被广泛应用。

水声换能器还可以用于声纳探测。

声纳是一种利用声波在水中传播和反射的原理，来获取目标信息的技术。

水声换能器作为声纳系统的核心部件，可以接收到目标返回的声波信号，通过信号处理来获取目标的位置、形状等信息。

总结起来，水声换能器是一种能够将水中的声能转化为电能的装置。

它在海洋工程、水声通信、声纳探测等领域有着重要的应用。

通过水声换能器，我们可以实现海底地形测量、水下通信、目标探测等任务，为海洋科学和工程提供了重要的技术支持。

水声换能器原理
水声换能器是一种将水中的声波信号转换为电信号的装置。

它是水下通信、声纳、测深等水下探测技术中不可或缺的一部分。

水声换能器的原理是利用压电效应将水中的声波信号转换为电信号。

压电效应是指某些晶体在受到机械应力时会产生电荷分布不均的现象。

这种晶体被称为压电晶体。

当压电晶体受到声波的作用时，晶体内部的电荷分布会发生变化，从而产生电信号。

这个过程被称为压电效应。

水声换能器通常由一个压电晶体和一个负载电路组成。

压电晶体通常是一块圆形的陶瓷片，它的两面分别涂有金属电极。

当水声换能器受到声波的作用时，压电晶体会产生电荷分布不均，从而产生电信号。

这个电信号会被传输到负载电路中，经过放大和处理后，就可以得到原始的声波信号。

水声换能器的性能取决于压电晶体的材料和结构。

目前常用的压电晶体材料有铅锆钛酸钠、铅镁铌酸钛、铅锆钛酸钙等。

这些材料具有良好的压电性能和稳定性，可以满足不同应用场合的需求。

水声换能器是一种将水中的声波信号转换为电信号的装置，它的原理是利用压电效应将水中的声波信号转换为电信号。

水声换能器的性能取决于压电晶体的材料和结构，不同的应用场合需要选择不同的压电晶体材料。

水声换能器与换能器阵技术研究水声换能器与换能器阵技术作为水下声波信号处理的关键技术，在海洋探测、水下通信、军事应用等领域具有广泛的应用价值。

本文将详细阐述水声换能器与换能器阵技术的研究现状、应用前景、技术原理及实验设计，以期为相关领域的研究提供参考与借鉴。

水声换能器与换能器阵技术研究涉及多个学科领域，包括声学、物理学、电子工程等。

目前，研究者们已经提出了多种水声换能器设计与实现的方法，如压电陶瓷换能器、磁致伸缩换能器、电致伸缩换能器等。

同时，为了提高声波信号的接收与发送效率，研究者们还研发了多种换能器阵列，如线性阵列、平面阵列、球面阵列等。

水声换能器与换能器阵技术的应用前景主要体现在以下几个方面：潜艇声呐系统：潜艇声呐系统是水下声波信号处理的重要应用之一，通过使用水声换能器和换能器阵技术，可提高潜艇的探测能力、定位精度和通信效率。

海洋探测：海洋探测是水声换能器与换能器阵技术的另一重要应用领域，如海底地形地貌探测、海洋资源开发等。

深海钻探：深海钻探过程中，水声换能器和换能器阵技术可用于传递控制信号和收集钻探数据，提高深海钻探的安全性和效率。

水声换能器与换能器阵技术的发展前景广阔，但仍面临诸多挑战。

未来研究方向可包括：高性能水声换能器的设计和制作，以提高声波信号的发送和接收效率。

低成本、大规模的换能器阵列制造技术的研究，以降低应用成本，促进普及化。

复杂水声环境下的信号处理算法研究，以提高水声信号的抗干扰能力和通信可靠性。

水声换能器与换能器阵列的优化配置与协同工作，以实现更高效的声波信号处理。

水声换能器与换能器阵技术的原理主要是基于声波的传播规律和换能器的物理特性。

声波作为一种机械波，传播时需要介质。

在水下环境中，声波主要通过水介质传播，其传播速度受到水温、盐度、压力等多种因素的影响。

水声换能器的主要功能是将电信号转换为声波信号进行传播，或者将声波信号转换为电信号进行接收。

其工作原理主要基于压电效应、磁致伸缩效应、电致伸缩效应等物理效应。

第2章水声换能器1.水听器2.水声发射换能器3.实验1 •水听器（1）分类根据其用途和校准的准确度根据其使用材料根据其用途和校准的准确度分为两级：A.—级标准水听器建立水声声压基准，并通过它传递声学量单位。

绝对法校准。

E.二级标准水听器（测量水听器）用作实验室中一般测试。

比较法校准。

根据其使用材料可分为：a、压电式：b、动圈式（或电动式）c、磁致伸缩式d、光纤式⑵参数①水听器接收灵敏度②水听器的指向性③水听器的电阻抗④动态范怜I①水听器接收灵敏度水听器自由场电压灵敏度：水听器在平面自由声场中输出端的开路电压与声场中放入水听器之前存在于水听器声中心位置处自由场声压的比值。

水听器声压灵敏度：水听器输出端的开路电压与作用于水听器接收面上的实际声压的比值。

②水听器的指向性•指向性响应图・指向性指数・指向性因数表示水听器在远场平面波作用卞，所产生的开路输出电压随入射方向变化的曲线图。

指向性指数DI和指向性因数对于水听器，其指向性因数代表定向接收器输出端的信噪比比无指向性接收器输出端的信噪比提高的倍数。

r>/ = ioi g^③水听器的电阻抗在某频率卞加于换能器电端的瞬时电压与所引起的瞬时电流的复数比。

换能器电阻抗的倒数称为换能器的电导纳。

④动态范围水听器主轴方向入射的正弦平面行波使水听器产生的开路电压等于水听器实际输出的带宽1Hz的开路噪声电压时，则该声波的声压级就是水听器的等效噪声声压级。

水听器的过载声压级与等效噪声声压级之差。

水听器的过载声压级引起水听器过载的作用声压级。

水听器的等效噪声压级(3) GB/T4128-1995一、二级标准水听器声学性能指标灵敏度指在水听器输出电缆末端测得的声压灵敏度或自由场低频灵敏度。

按照国家标准规定用于lHz~100kHz频率范怜I的压电型标准水听器(以下同)：一级：不低于-205dB(0dB re lv / u Pa)二级：不低于-210dB (OdB relv/uPa)自由场灵敏度频率响应自由场灵敏度频响相对于声压灵敏度在整个使用频率范怜I内，至少有三个十倍频程范闱：一级：其灵敏度的不均匀性小于±1.5dE,在其他频率范围内灵敏度变化不超过-6dE或-lOdBo二级：其灵敏度的不均匀性小于±2dE,在其他频率范闱内灵敏度变化不超过+6dE或-lOdBo 灵敏度校准及其准确度低频段应用国标GB4130-84中规定的一级校准方法进行校准，其校准准确度优于土0.5dE；高频段应用国标GB3223-82中规定的互易法进行校准，其校准准确度应优于土0.7dE°低频段应用国标GB4130-84中规定的二级校准方法进行校准，其校准准确度优于±1.0dE；高频段应用国标GB3223-82中规定的比较法进行校准，其校准准确度应优于±1.5dE°指向性一级：水平指向性：在最高使用频率下的-3dE波束宽度应人于300,在选定方向(或主轴)土50的范围内灵敏度变化应小于土0.2dBo垂直指向性：在最高使用频率下的-3dE波束宽度应人于150,在选定方向(或主轴) ±20的范围内灵敏度变化应小于土0.2dBo二级：在使用的频率范I制内，其水平指向性图与理想的全指向性图的偏差应小于±2dE。

水声换能器的作用水声换能器是一种将水中的声波转化为电信号或将电信号转化为声波的设备。

它在海洋探测、水声通信、水下定位等领域起着重要作用。

水声换能器的作用主要体现在以下几个方面：1. 水声探测和测量：水声换能器可以将水中的声波转化为电信号，从而实现对水下目标的探测和测量。

在海洋科学研究中，科学家常常利用水声换能器来研究海洋生物、海底地质、海洋气象等问题。

此外，水声换能器也广泛应用于海洋资源勘探、海洋环境监测等领域。

2. 水声通信：水声换能器可以将电信号转化为声波，实现水下通信。

由于水的传导性能较好，水声通信在海洋工程、海底油气开发等领域具有广泛的应用前景。

通过水声换能器，人们可以在水下进行语音通话、数据传输等操作，实现水下设备的远程控制和监测。

3. 水下导航和定位：水声换能器可以利用声波在水中传播的特性，实现对水下目标的定位和导航。

通过测量声波的传播时间和方向，可以确定目标的位置。

水声换能器在水下导航、水下机器人、潜水器等设备中起着关键的作用。

同时，水声换能器也可以用于水下声纳系统，通过发射和接收声波，实现对水下目标的探测和识别。

4. 水下成像和探测：水声换能器可以实现对水下目标的成像和探测。

通过发射声波并接收回波，可以获取目标的形状、大小、距离等信息。

水声换能器在水下探测、水下摄像、海底地质勘探等领域有着广泛的应用。

在海洋资源勘探中，科学家常常利用水声换能器进行海底地形的测绘和海洋生物的观察。

水声换能器在海洋科学研究、海洋工程、海底资源勘探等领域起着重要作用。

它可以将声波和电信号相互转化，实现对水下目标的探测、通信、定位和成像。

随着科技的发展和应用需求的增加，水声换能器的性能和应用范围也在不断扩展，为人们深入了解海洋、开发利用海洋资源提供了重要的技术支持。

水声换能器工作原理
水声换能器是一种将水中声能转化为电能的设备，用于水声信号的接收和发射。

其工作原理基于压电效应和反压电效应。

压电效应指的是某些晶体或陶瓷材料在受到外力压缩或拉伸时会产生正比于外力的电荷积累，即产生电场。

反压电效应则是指在外电场作用下，这些材料会发生形变。

在水声换能器中，压电材料通常被制成薄片状，并在两侧贴上电极。

当水声信号传入水声换能器时，水的振动会引起换能器中的压电材料产生应变。

这些应变会导致压电材料产生电荷积累，而且电荷的数量与水声信号的强度成正比。

接收水声信号时，电荷积累在电极间的电路中会产生电流。

该电流经过适当的放大和处理，可以得到水声信号的相应电信号。

当需要发射水声信号时，外部电源施加在水声换能器的电极上，产生电场作用。

由于反压电效应的存在，电场会导致压电材料形变。

这种形变会引起水中的振动，从而产生水声信号。

总之，水声换能器的工作原理是基于压电和反压电效应，利用声波对压电材料的应变和电场的作用，将水中的声能转化为电能或将电能转化为声能。