水声换能器基础知识

    地球表面积的71%是海洋,海洋里蕴藏着丰富的生物和矿物质资源,是人类今后生存和发展的第二个空间。而声纳这一水下探测设备则是人类开发海洋的重要帮手,更是海军和民用航海事业不可缺少的组成部分。声纳设备的功能,就是收听水下有用信号并把它转变为电信号以供视听;或者自身产生一个电信号再转变为声信号在水介质中传播,遇到目标后反射回来再进行接收,转变为电信号供收听或观察,由此来判断被测物体的方位和距离。在这个水下电声信号的转换过程中,关键设备就是水声换能器或是换能器阵。
1. 水声换能器的应用
    目前,水声换能器已经普遍地应用到工业、农业、国防、交通和医疗等许多领域。这里仅介绍几种在水下探测方面的应用:
    (1)在测深方面的应用:为保证航行安全,无论是军舰或是民船都要安装测深声纳;专门的航道检测船只都配备精度高、功能齐全的测深仪。根据测深深度的不同,测深换能器的频率和功率也相差甚远。以频率范围在10kHz~200kHz的较多,功率从数瓦到数十千瓦不等,其中,高频小功率用于内河或浅海,低频大功率用于远洋、大深度。对这类换能器的要求是波束稳定、主波束尖锐。
    (2)在定位和测距方面的应用:测量航船对地的航行速度,大多采用多普勒声纳,利用四个性能相同的换能器分别排列与龙骨相垂直的左右舷方向上。一般工作频率在100kHz~500kHz。
    (3)在海洋考察和海底地层勘探方面的应用:海底地质调查主要采用低频大孔径声纳。拖曳式声纳是当今装在活动载体上最大尺寸的声学基阵,作用距离也最远。水中成像方面,通常采用高频旁视声纳,在船底左右舷对称地沿龙骨平行方向装两个直线基阵,各自向海底发射扇形指向性声束,然后接收来自海底的反射波,由于海底凹凸不平反射波强度有别,在显示图像上就会出现亮度不同的图像,因为工作频率较高,声信号衰减较快,作用距离不远,现在试验的频率范围为数十千赫到500千赫。
2. 水声换能器的分类
    换能器按照不同的机电能量转换原理可以分为电动式、电磁式、磁致伸缩式、静电式、压电式和电致伸缩式等。如廿世纪中叶开发的压电陶瓷是经过高压直流极化处理之后才具有压电性的,因此,被称作电致伸缩材料,是当今压电换能器的主流,尤其在超声换能器领域有极其广泛的使用价值。
    水声换能器按照不同的振动模式可以分为以下几类:
    (1)纵向振动换能器:其振动方向与长度方向平行。在换能器的长度方向传播应力波,它的谐振基频取决于长度,是声纳系统中使用得最广泛的类型。
    (2)圆柱形换能器:采用压电陶瓷圆管(或圆环),通过合适的机械结构,安装成所需的长度。它可以做成水平无指向性、垂直指向性可控的宽带换能器,是声纳系统中仅次于纵向换能器的一种类型,此外它还是水声计量中惯用的标准水听器和标准发射器的选型之一。
    (3)弯曲振动换能器:弯曲振动换能器具有低频下尺寸小、重量轻的优点(与相同频率下、同一种有源材料的换能器相比较),其振动形式有弯曲梁、弯曲圆盘、弯曲板等。
    (4)弯曲伸张换能器:弯曲伸张换能器一般是用两种振动模式组合起来的复合换能器。例如用纵向伸缩振动棒与不同形式的弯曲壳体组合成多种形式的弯曲伸张换能器,也可以用圆形平面径向振动有源元件与碗形弯曲壳体组合成II型弯曲伸张换能器。
      (5)球形换能器:利用空心压电陶瓷球壳的呼吸振动做成的球形换能器具有空间对称性好的优点。普遍用作点源水听器。
    (6)剪切振动换能器:振动方向和极化方向相平行而驱动电场的方向和振动方向相垂直的剪切振动可以满足某种特殊使用要求。如去除牙结石的换能器就是这种形式。
3. 水声换能器的主要参数
    水声换能器的主要性能指标有;水中工作频率、工作频率范围、频带宽度、发射声源级(声功率)及发射响应、指向性、接收灵敏度及接收灵敏度响应、发射效率、品质因素、阻抗、最大工作深度、尺寸和重量等。其中:
    (1)工作频率
    水声换能器的工作频率或工作频率范围通常是由声纳设备的工作频率确定的。换能器的阻抗、指向性、灵敏度、发射功率、尺寸等都是频率的函数。一般说来,对发射换能器要计算它在谐振频率上或在谐振频率附近有限频带内的性能指标,在这个频率及其附近有最大的发射效率。对于宽带接收换能器(压电换能器)谐振频率应远高于接收频带的上限,以保证宽带内有平坦的接收响应且要计算它在谐振频率及其以下频段内的接收响应。大型低频声纳换能器的频率在数十赫到数千赫,而小型目标探测声纳换能器在数十千赫到数百千赫。
    (2)指向性
    不管是换能器还是换能器阵,它们的发射响应或接收响应会随着相对于它们的方向改变而变化。这就是换能器具有指向性,发射换能器发射的声波如同探照灯射出的光束一样。由于换能器具有指向性就可以把声能聚集到某个方位发射,使能量更加集中。采用许多换能器组成尺寸更大的基阵,在相同的频率上指向性更加尖锐,能量更加集中,发射的距离更远,在接收状态下信噪比更大,作用距离也越远。
    (3)阻抗(或导纳)特性
    换能器在谐振频率附近可以看成一个简单串并联的等效电路。电路中的每一个电阻、电容或电感表示该换能器固有特性,这就是换能器阻抗(或导纳)特性。掌握了换能器的阻抗特性才能使它与发射机的末级回路或接收机的输入电路相匹配。换能器的阻抗(或导纳)是一个复数,它是频率的函数,一般可表示成:Z(w)=R(w)+jX(w) (单位:欧姆)。    
    在机械共振时动态无功抗趋于零,静态容抗可用匹配电感调谐此时可以把它看成一个纯阻。压电换能器电阻抗一般在数十欧姆到数千欧姆的范围内。
    (4)发射功率
    发射换能器的功能是将电子发射机的电功率转变为机械振动的机械功率,再把机械功率转变为声功率发射出去。发射声功率是指换能器在单位时间内向介质中辐射能量多少的物理量,功率的单位用瓦表示。换能器的发射功率受额定电压(或电流)、动态机械强度、温度及介质特性等因素的制约。
     (5)发射响应
    能够全面反映发射换能器性能指标的是发射响应,主要有发射电压响应和发射电流响应。发射电压响应SV的定义是指发射换能器在指定方向上离其有效声中心d0米距离上产生的自由场表观声压Pf与加到换能器输入端的电压U的比值:SV=Pfd0/U。发射电压响应通常用分贝表示。

    发射电流响应是指发射换能器在指定方向上离其有效声中心d0米距离上产生的自由场表观声压Pf与加到换能器输入端的电流I的比值:SI=Pf d0/。发射电压响应通常用分贝表示。     
    (6)接收灵敏度
    换能器的自由场电压灵敏度指的是接收换能器在入射声波的作用下,输出端的开路电压U(w)与自由场中(假设接收换能器不存在时)它的声中心所在点的声压Pf(w)的比值M(w)。对于接收换能器而言,需要在很宽的频率范围内接收入射声信号,而压电换能器通常是在低于谐振频率的宽频带范围内工作。
    (7)接收灵敏度的起伏
    宽带接收换能器要求在使用的频范围内有比较平坦的接收响应。通常规定在工作频段内接收电压灵敏度起伏量为±1.5dB。

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