水声换能器——绪论

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1、换能器技术主讲教师:蓝宇副教授HarbinEngineeringUniversity联系方式水声学院声学教研室水声楼716房间电话(o)82569505手机：13633665166Email:lanyu@hrbeu.edu.cn专业课学习方法只需掌握基本理论、基本方法和专业常识，不需要全懂；多接触相关工作，理论与实践结合，在工作中解决问题；培养对这门知识的兴趣和热情。前导课与后续课程前续课：声与振动基础、数学物理方法和电路基础后续课：声学测量实验换能器制作工艺实验课参考书目《压电换能器与换能器阵》（上、下）北大出版社，栾桂冬，张金铎，王仁乾《水声

2、换能器与基阵》周福洪编著国防工业出版社《超声换能器》，袁易全著，南京大学出版社《压电学》（上、中、下）科学出版社主编张福学一、基本概念换能器：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，就称为电声换能器，简称换能器。发射换能器电能→声能transducerprojector接收换能器声能→电能hydrophone（水听器）基阵：将多个换能器按一定的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。包括：线列阵、平面阵、圆柱阵、球形阵参量阵、乘积阵、合成孔径阵、恒定束宽阵舷侧阵、共形阵、拖曳线列阵等等水下

3、声系统：换能器或基阵还要使用其它的一些声学部件，如：导流罩、声障板等，统称为声系统。用于水下的就称为水下声系统。湿端——水下声系统干端——电子设备、信号处理部分复合棒换能器主动声纳系统框图主动声纳方程SL-2TL+TS-(NL-DIi)=DTSL=170.8+10lg(Pa)+DITPa——换能器基阵的辐射声功率DIT——发射指向性指数DIi——接收指向性指数被动声纳方程SL-TL-(NL-DIi)=DT二、换能器的早期发展1．1880年，居里兄弟发现了压电效应(PierreandJacqueCurie)2．1917年，法国科学家朗之万（Lang

4、evin）石英—钢夹心式压电换能器，是第一个实用的压电换能器。朗之万（1872.1.23～1946.12.19）Langevin，Paul法国物理学家。生于巴黎卒于同地。1909年任法兰西学院教授，1934年当选为法兰西科学院院士。◆朗之万以对次级X射线、气体中离子的性质、气体分子动理论、磁性理论以及相对论方面的工作著称。◆1905年提出关于磁性的理论，用基元磁体的概念对物质的顺磁性及抗磁性作了经典的说明。◆1908年发展了布朗运动的涨落理论。◆在第一次世界大战期间，为了探测潜艇，利用石英的压电振动获得了水中的超声波。◆中国九一八事变后，他进行了

5、各种声援中国的活动，并批评了国际联盟对日本侵略者的纵容。3．水溶性晶体酒石酸钾钠RS、磷酸二氢胺（ADP）4．压电陶瓷50年代后期，发现了铁电陶瓷的电致伸缩效应，成份与性能可以有效控制和生产，解决了极化工艺。60年代中期，研制成功预应力螺杆复合棒换能器，小体积重量——大声能密度广泛应用于水声和超声领域三、换能器的分类1．按工作形式分类：发射换能器和接收换能器2.按原理和材料分类压电单晶：石英、铌酸锂（LiNbO3）性能稳定、居里点高罗谢耳盐（酒石酸钾钠RS或KNT）磷酸二氢胺（ADP）—水溶性晶体压电陶瓷:钛酸钡BaTiO3锆钛酸铅Pb(

6、ZrxTi1-x)O3PZT4、PZT5、PZT8电场性压电薄膜：聚偏氟乙烯（PVDF）是一种柔软的塑性薄膜，声阻抗与水接近，能够很好的和水匹配，能够做成高频、高灵敏度、宽带换能器。压电复合材料：是将压电陶瓷相和聚合物相按一定的连通方式、一定的体积或重量比例和一定的空间几何分布复合而成。驰豫型铁电单晶:1997.3美国的《科学》杂志介绍了材料领域的重大突破，美国宾夕法尼亚州州立大学研制出了驰豫型铁电单晶。1997.5美国海军研究办公室ONR举行压电单晶发展研讨会；1998.7美国国防尖端研究项目署（DARPA）举行了压电单晶研究队伍组织的研讨会

7、，大力资助了有关新型压电单晶的制备及应用研究，希望尽快用新型压电单晶代替目前所用压电陶瓷，发展新一代声纳系统中的水声换能器。铌镁酸铅PMNT铌锌酸铅PZNT电动式换能器：频率低、频带宽、源极高；用于大洋测温和海洋层析电磁式换能器：磁场性电动式电磁式磁致伸缩式：磁致伸缩材料——镍、铁镍合金、铝铁合金、铁钴合金镍铁氧体、镍锌铁氧体、镍铜铁氧体等1920-1950有两种线圈：直流偏磁交流激励铁磁流体：铁磁流体是一种液体功能材料，铁磁流体换能器是利用这种功能材料在强恒磁场下，可由梯度磁场激发产生Kelvin力，将力转化成辐射面的振动，辐射声能。这种换能器

8、具有频率低、带宽。易与水匹配等特点。超磁致伸缩稀土材料Terfenol-D：铽、镝、铁三元稀土合金Tb0.3Dy0.7Fe2，70年代由