换能器技术.ppt
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1、绪论水声换能器分类、应用及分析设计方法 桑 永 杰,为什么要学习认识换能器?,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。,主动声呐方程:(混响背景) (SL-2TL+TS)-RLDT,1.什么叫换能器 换转换;能能量;器器件 通俗的讲:转换能量的器件 我们关注的是电能和声能间的相互转换: 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。,2.换能器如何实现换能 换能材料,也叫功能材料、有源材料受交变电场/磁场激励产生伸缩应变,压电陶
2、瓷,稀土材料,逆向压电效应,正向压电效应,磁致伸缩效应,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,球形阵,拖曳线列阵,共形阵,水声换能器基阵在潜艇上应用实例,4.水声换能器的分类,发射换能器(transducer/projector),接收换能器(水听器,hydrophone),A. 按照工作方式分,几种常见发射换能器,几种常见水听器,B.按功能材料分,镍,压电单晶,钛酸钡压电陶瓷,锆钛酸铅压电陶瓷系列(PZT),稀土
3、超磁致伸缩材料(Terfenol-D),弛豫铁电单晶 (PMNPT 和PZNPT ),最早的换能材料,磁致伸缩,如石英,1917年,朗之万制成第一个实用换能器,1940s,较强压电性能,1950s,机电转换效率高,工作温度宽,至今仍是主力功能材料,1970s。铽、镝与铁的合金。应变量比镍大4050倍,比PZT大58倍;能量密度比镍大400500倍,比压电陶瓷大1014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,1997,压电系数、机电耦合系数比通常的锆钛酸铅压电陶瓷PZT(d33600pC/N,k33=70%)高出许多,分别达到2000 pC/N和92以上。
4、其应变量比通常的压电陶瓷高出10倍以上,达到了1.7,其他:压电聚合物(PVDF)、 压电复合材料等,复合棒换能器分解图,Paul.Langevin,C.按结构分, 复合棒换能器(朗之万换能器、Tonpilz换能器),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。,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。,复合棒换能器实物照片及分解图,双向辐射复合棒换能器, 弯张换能器,弯张换能器的位移放大作用,常见的七种
5、弯张换能器,特点:频率低、大功率、尺寸小、重量轻等。 主要应用于低频主动声呐、各种低频水声实验,新型弯张换能器,稀土IV弯张换能器,六元弯张换能器线阵, 圆管换能器,压电陶瓷圆管内外表面铺设电极,激发圆管的径向振动;大尺寸圆管换能器需由压电陶瓷条镶拼而成。,各种压电陶瓷圆管,镶拼圆管,非溢流圆管换能器,溢流圆管换能器,特点:水平无指向性、大功率、耐静水压等。 主要应用于吊放声呐、声呐浮标声呐、各种水听器等。, Helmholtz换能器,利用液腔谐振,实现小体积、低频发射 液腔谐振与其他模态(结构振动、高阶液腔谐振等)一起使用,可实现宽带 溢流结构,几乎不受工作深度限制 工程实践中腔体形态灵活多
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