利用低声速、大应变功能材料：Terfenol-D
Material properties
Terfenol-D
Young's modulus（GPa）
30
Maximum strain（106 ）
1500-2000
Energy Density（ J / m3 ）
14000-25000
Wave speed（m/s）
能量所携带的信息（频率、幅度、相位等）重现.
Input electric signal
Output acoustic signal
Vice versa! Transducer is reciprocal.
水声换能器
Projector/transducer/transmitter (Electric signal → Acoustic signal)
ka 1
High power
Broadband
如何解决这些矛盾？从增加振动位移、辐射阻上入手
利用弯张换能器的位移放大效应
Displacement amplification effect of flextensional transducer
lever
压电堆在长轴方向上的振动位移，通过杠杆效应，在椭圆壳短轴方向放大了数倍
Inverse piezoelectric effect
������ = ������������3
������������3 = ������
1 2
������������������
2
=
������������
Voltage→electric field→strain→displacement→vibration in water→sound radiation
Above and below Curie point
衡量压电性的主要参数-压电常数
������3 = ������33������3
������3 = ������33������3
������3
=
������������3 ������������
������������
=
1 2
������������������32
通常使工作电场平行于3方向，以使用d33.
特别提醒!
压电陶瓷质地上硬脆、易碎!
使用压电陶瓷换能器时，务必轻拿轻放、不可磕碰！
4. 水声换能器是怎么工作的?
所有弹性结构体都有自身模态. 通常，换能器工作在某种模态的基频. 这些振动模态由功能材料激励出来.
棒的纵振动模态
圆环的径向振动模态
Operating frequency 2kHz-100kHz 200Hz-2kHz
200Hz-5kHz 200Hz-1000Hz
500Hz-50kHz
5Hz-5kHz
Source level Directivity Bandwidth Operating depth
＞200 dB
Good
1-2 octaves Several
1500-2000
Energy Density（ J / m3 ）
14000-25000
Wave speed（m/s）
1690
Electromechanical coupling coefficient k33
0.72
PZT-8 PMN-PT
80
101
250
500
2500
12630
4500
4500
0.5-0.6
1690
Electromechanical coupling coefficient k33
0.72
PZT-8 PMN-PT
80
101
250
500
2500
12630
4500
4500
0.5-0.6
0.9
Low wave speed → low resonant frequency Large strain, energy density → high power
为增加声功率，获得更好的指向性 海军应用领域，水声换能器基本上都是成阵使用.
Various arrays
水听器
工作频段：远低于谐振频率以下的准静态频段. 标准水听器: 灵敏度高、响应平坦、时间温度稳定性.
Standard hydrophone produced by B&K
水声换能器的发展趋势
如何设计换能器?
理论设计- 等效电路法 有限元设计- ANSYS, COMSOL, ATILA
Equivalent circuit of transducer
Finite model and analysis results
如何选择和使用水声换能器？
熟悉了解各种换能器的基本特点. 保持与换能器设计者沟通，在某些非关键指标上折中. 使用换能器前，请一定要细细阅读说明书.
Class IV flextensional transducer
Class I flextensional transducer and its components
Helmholtz 换能器
低频, 大功率, 深水 声放大: 驱动源辐射面的声阻被放大，输出的声功率增加.
Several Helmholtz transducers are driven by various transducers
低频, 小尺寸, 大功率, 宽带, 深水 而在理论上，大功率与低频、小尺寸是矛盾的.
������������
=
1 2
ห้องสมุดไป่ตู้
������������ ������
2
������������ 2 ������������ = ������0������0������0 4
Small size
Low frequency
结构紧凑, 宽带, 大功率, 深水, 指向性好. 目前舰艇的艏部声纳主要用Tonpilz换能器组成大型基阵.
Tonpilz transducer and its components
弯张换能器
低频, 小尺寸, 大功率 宽带和深水性能不佳.
Sketch of various classes of flextensional transducers
◆有句经典的广告语：没声音，再好的戏也出不来. ◆任何从事水声技术研究的科研人员，都会用到水声换能器，都 应学习一些换能器的基础知识和应用技巧.
3. 为什么水声换能器能够转换能量？
其中的功能材料是关键
Piezoelectric ceramic (PZT)
Rare earth alloy (Terfenol-D)
弯曲圆盘换能器
低频, 小尺寸, 中等功率 组成密排阵，大幅度降低基元的谐振频率
Flexural disk transducers and close array
圆环换能器
溢流或充油 大功率, 宽带, 深水
Integrated ring
Segmented ring
电动式换能器
超低频, 超宽带 声辐射性能随深度变化
板的弯曲振动模态
水声换能器的主要技术指标
工作频率/共振频率 发送电压响应级 声源级 带宽 指向性 工作深度 灵敏度（对于水听器） …
水声换能器分类
Tonpilz /纵振动换能器
弯张换能器
Helmholtz 换能器
弯曲圆盘换能器
圆环/圆管换能器
电动式换能器
Tonpilz 换能器
水声换能器及基阵
桑永杰 副教授（sangyongjie@） 水声工程学院
绪论
1. 几个水声换能器的基本问题 2. 水声换能器的主要技术指标 3. 水声换能器的分类 4. 其他
1. 什么是水声换能器?
广义的讲，任何能够实现能量形式转换的器件都可称为换能器. 在水声技术领域，它指的是实现电能和声能相互转换的器件，并且能实现
J series and UW350 moving coil projectors
Performance summary for the above transducers
Tonpilz
Flextensional Flexural disk
Helmholtz
Free flooded Ring Moving coil
0.9
低声速→ 谐振频率低 大应变和功率密度→ 大功率发射
Terfenol-D 是目前很有前景的功能材料，适合用 于低频、大功率水声换能器.
Magnetostrictive effect Magnetostriction transducer
目前最常用的功能材料—压电陶瓷
Direct piezoelectric effect
kilometer
＞190 dB No
10-30% ＜200 m
＞180 dB No
10-30% ＜200 m
＞190 dB
∞ No or
＜10% Unlimited
＞190 dB
∞ or 8
1 octave Unlimited
＜180 dB
No More than 3
octaves ＜200 m
换能器基阵
剩余极化
居里温度（居里点）: Tc
温度超过一定值，压电陶瓷的压电性会消失，这个值称为居里温度. 一旦超过居里温度，压电陶瓷的电畴取向重归混乱，因此失去的压电性不会自
动回来. 一定要注意：大功率连续发射时，损耗导致的热量越聚越多，温度可能接近居
里点. PZT-4的居里点： 380°C