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仪表技术与传感器
2002 年
水声换能器及其研究和发展
曾台英 ,贾叔仕 (浙江大学 机能学院 ,浙江 杭州 310027)
摘要 :阐述了水声换能器的频响特性 、指向性及不同尺寸和频率范围的换能器的多种不同的校 准方法 ,就其优缺点进行了比较 。并具体介绍我国自声学院声学所成立以来水声换能器在换能材 料和声学无源材料 、换能器和基阵以及水下电声测量等 3 个方面的取得的研究和成果 。介绍了在 压电陶瓷 、吸声材料 、换能器各种基阵等方面取得的国内外领先成果和应用现状 。最后给出我国水 声换能器的发展方向及动态 ,对其发展前景作了展望 。 关键词 :水声换能器 ;压电陶瓷 ;发展动态 中图分类号 : TN712 文献标识码 :A 文章编号 :1002 - 1841 (2002) 11 - 0046 - 03
爆炸法 压力管法
宽频带 用于高压校准
结果复杂 ;嘈杂 ;不安全 需要特殊管子
2 研究与发展现状
当并能出口 。目前正组织扩大生产向产业化方向发
211 换能材料和声学材料
展。
21111PZT 压电陶瓷正在向产业化方面发展
21112 在压电陶瓷材料的研究上
到目前为止 ,钛酸锆酸铅 ( PZT) 压电陶瓷作为水
troacoustical measuresince The Acoustics Academe of our country was founded. Especially in piezoelectric composites ,sound
absorption material and acoustic transducer array. t hen give t he development trends of acoustic transducer.
振动液柱法
不需要大量的水
仅能用于低频
双发射器零值法 大型换能器的近场校准法 脉冲校准法
绝对校准法 不需要大量水 减少反射和驻波的影响
仅能用于低频 ;需要密封容器 需要特殊容器 ,数据处理复杂 需精密设备
噪声校准法 阻抗校准法
宽频带连续覆盖 不需要水池和大量的水
需用白噪声 (或低频噪声) 发生器 数据处理复杂
> 0162 > 0145
50
0102
PZT(3 - 3)
400
400
320
400
0115
0150
10
0102
(复合材料)
600
900
450
0125
0170
20
PbNb2O6
570
225
570
> 70
< 0110 > 0140
15
0101
21113 在压电陶瓷测量方面 声学所研制生产的压电常数 d33测量仪 ,已推广国
表 2 为我国声学研究所研制的各种压电陶瓷的性
声换能器的换能材料仍占首位 。我国声学研究所研制 能一览表 ,包括能在较高温度使用的 PZT 压电陶瓷
的 PZT 压电陶瓷 ,常用的型号为 PZT —4 (收发兼用) 、 (QW —1) 和能在高温条件下使用的单模振动偏铌酸
PZT —5 (接收型) 和 PZT —8 (大功率发射型) ,其性能 铅压 电 陶 瓷 ( PbNB2O6 ) 。测 试 条 件 为 600 V/ mm ,
Key Words :Acoustic Transducer ; Piezoelectric Composites ;Development Trends
1 换能器特性及校准方法
射响应通常以分贝数表示 ,参考级为注入发射器 1 A
水声换能器是把声能和电能进行相互转换的器 电流时在参考距离上产生声压 ,并写作 dB. 习惯上 ,参
为了确保水声设备的工作性能以及量值传递的需
的平面波 (在水听器的放入生场之前) 产生的水听器的 要 ,必须对水听器和发射器进行校准 。校准换能器就 端电压 。习惯上 ,接收响应以水听器不接负载的开路 是测定换能器响应的频率函数和指向性函数 。现在已
响应来表示 。通常 ,接收响应记以分贝数 ,参考级为 1 达因/ cm2 声压产生 1 V 电压 ,并写作 dB.
都能满足各种水声换能器的需要 ,其水平与国外的相 100 ℃.
表 2 各种压电陶瓷性能一览表
材料型号
密度 kg/ m3
介电常数 ε33/ε0
居里点 ℃
d33 10 - 12C/ N
K1
K1
Qm
tanσ
PZT - 4
7600
1000
320
> 260
> 0158 > 0145
500
01005
PZT - 5
第 11 期
·研究与开发·
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表 1 校准方法
方法
优点
缺点
互易法 : (a) 球面法 (b) 柱面法 (c) 平面法 (d) 扩散声场 (e) 自 - 互易法 (f) 一般理论
不需要校准 ;绝对校准法
繁琐 ;复杂 ;需要互易换能器
置换法或比较法 静水压法
简单 ;快 简单
非绝对校准法 ,需要已校准的标准换能器 需要间接计算
换能器的研制过程包含着很强的工艺性 ,对实现 一个新设计往往具有关键性意义 。结合水声 、超声换 能器的研究和开发 ,现已形成一套专用技术 ,如聚氨酯 无硫透声橡胶浇注及耦联工艺 、复合体预应力技术 、声 学器件粘接剂系列及其粘接技术 、慢波导制造工艺等 , 已经成为换能器的研究工作的极为重要的技术手段 。 213 水下电声测量
以超声仿人体组织为核心研制成功的超声仿真模 块系列产品是国家技术监督局和国家医药管理局确认
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仪表技术与传感器
2002 年
的医用超声诊断仪检测标准 。 212 水声换能器和基阵 21211 目前用得最普遍的水声换能器
主要有平面活塞型 、纵向振子喇叭型 、圆校型和弯 张型 。我国能设计制造满足工程需要的各种换能器 , 水平与国外相当 。
件 。在声纳中的地位类似于无线电设备中的天线 ,是 考距离是指离声源 1 m ;若参考距离为 1 码 ,则需加上
在海水中发射和接收声波的声ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ系统 。其中把声能转 20log39. 4/ 36 ,即 + 0. 87 dB 的校正 ,把发射响应变换
换为电能的换能器叫作接收器或水听器 ;把电能转换 为声源级 。 为声能的换能器叫作发射器 。有些声纳用同一只换能 11112 指向性
指向性指数 ,是用来度量水听器阵以其声束图案
11111 换能器响应 水听器 (在通常情况下) 是一个声/ 电的线性转换
器件 ,在它产生的电压和声场的声压之间有一个比例 因子 。这个比例因子称为换能器的响应 。
水听器的接收响应 (即接收灵敏度) 是由单位声压
从噪声中提取信号能力的接收声波参数 。它是指向性 水听器输出端信噪比值比无指向性水听器输出端的信 噪比值提高的分贝数 。 112 校准方法
(1) 大功率发射换能器 拼合圆环大功率密度发射换能器 (镶嵌式圆柱形 换能器) ,获得中科院科技成果 ,其中“压电圆环分割电 极”获实用新型专利 ,该换能器作为我国第一个深海宽 带大功率水声发射换能器用于西沙海域的水声传播海 上考察 。其技术分别在水声释放器 、水下定位测速仪 和模拟靶标等声系统中得到成功的应用 。 (2) 弯张换能器 用有限元法 ,研究和分析了灯笼型弯张换能器的 振动和声辐射 ,其成果已推广应用于声纳设备中 。在 此基础上还研究了凹型弯张换能器 。这种换能器与国 际上现有的凸型灯笼式弯张换能器相比 ,有更高的灵 敏度和体积速度 ,抗静压强 ,特别是这种结构能利用多 模振动达到宽带高的特点 ,受到国外水声专家的好评 。 (3) 压电复合材料水听器和岩用换能器的研究 利用 PZT (3 —3) 夹心复合压电材料压电常数 gh 值高和优值因子 dh ×gh 大的优点和振动模式较单 纯 ,且易和岩体匹配的特点研制成宽带高灵敏度水听 器和宽带窄脉冲岩用超声换能器 。 21212 水声换能器基阵 (1)“202”噪声测距平面阵 它具有频带宽 、灵敏度高 、可靠性好的特点 ,在几 面赫到 10 kHz 的频带内 ,阵元之间的相位差不大于 ± 3°,幅度差不大于 ±1 dB. (2) 拖曳式线列阵 此声纳研制的拖曳式线列水听器阵由前导段 、隔 振段 、工作段和尾部隔扳段组成 。工作段由 32 阵元水 听器组成 ,水听器具有频带宽 、声压灵敏度高和加速度 灵敏度低 、抗干扰能力强的特点 。 (3) 弯张换能器八元阵 利用第 Ⅰ类弯张换能器 (灯笼型) 有强互辐射效应 的特点来排阵 ,获得了高性能的 8 阵元试验阵 ,达到低 频 (1. 5 k Hz) 、大功率 (15 kW) 、宽带 (1 倍频程) 和高效 率 ( > 50 %) 。 (4) 在换能器阵的理论研究方面 提出了“指向性综合逐步逼近法”,在理论上有突 破 。如利用均匀激发的阵元 ,合理的间隔排列 ,不进行 幅度束控 ,可使旁瓣的高度抑制到仅有 0105 左右的高
声吸声材料和 3 种吸声结构 :平板尖劈平行通道型 ,方 形尖劈和平板共振型 ,可满足不同频段的要求 。平板 吸声尖劈已广泛用于国内 6 个大中型消声水池 ,在 8 ～100 kHz 的频率范围内声压反射系数小于 10 %。另 外 , T801～ T808 型透声橡胶 、浇注型室温硫化高频吸 声与透声材料 、高额吸声内衬 、吸声阻尼和腻子型阻尼 材料已广泛用于各种工程项目 。 21115 超声仿真模块系列产品
器来发射和接收声音 ;另一些则使用分开的发射器和
水听器在运用中几乎都使用水听器阵 ,水听器阵
水听器 。
比单个水听器元件有较高的信号 - 噪声比 ,因为它能
111 换能器特性 水听器性能主要是指灵敏度和方向性 。其中水听
器的接收响应就是接收灵敏度 。