(完整版)第2章水声换能器
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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。
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。
第2章水声换能器1.水听器2.水声发射换能器3.实验1 •水听器(1)分类根据其用途和校准的准确度根据其使用材料根据其用途和校准的准确度分为两级:A.—级标准水听器建立水声声压基准,并通过它传递声学量单位。
绝对法校准。
E.二级标准水听器(测量水听器)用作实验室中一般测试。
比较法校准。
根据其使用材料可分为:a、压电式:b、动圈式(或电动式)c、磁致伸缩式d、光纤式⑵参数①水听器接收灵敏度②水听器的指向性③水听器的电阻抗④动态范怜I①水听器接收灵敏度水听器自由场电压灵敏度:水听器在平面自由声场中输出端的开路电压与声场中放入水听器之前存在于水听器声中心位置处自由场声压的比值。
水听器声压灵敏度:水听器输出端的开路电压与作用于水听器接收面上的实际声压的比值。
②水听器的指向性•指向性响应图・指向性指数・指向性因数表示水听器在远场平面波作用卞,所产生的开路输出电压随入射方向变化的曲线图。
指向性指数DI和指向性因数对于水听器,其指向性因数代表定向接收器输出端的信噪比比无指向性接收器输出端的信噪比提高的倍数。
r>/ = ioi g^③水听器的电阻抗在某频率卞加于换能器电端的瞬时电压与所引起的瞬时电流的复数比。
换能器电阻抗的倒数称为换能器的电导纳。
④动态范围水听器主轴方向入射的正弦平面行波使水听器产生的开路电压等于水听器实际输出的带宽1Hz的开路噪声电压时,则该声波的声压级就是水听器的等效噪声声压级。
水听器的过载声压级与等效噪声声压级之差。
水听器的过载声压级引起水听器过载的作用声压级。
水听器的等效噪声压级(3) GB/T4128-1995一、二级标准水听器声学性能指标灵敏度指在水听器输出电缆末端测得的声压灵敏度或自由场低频灵敏度。
按照国家标准规定用于lHz~100kHz频率范怜I的压电型标准水听器(以下同):一级:不低于-205dB(0dB re lv / u Pa)二级:不低于-210dB (OdB relv/uPa)自由场灵敏度频率响应自由场灵敏度频响相对于声压灵敏度在整个使用频率范怜I内,至少有三个十倍频程范闱:一级:其灵敏度的不均匀性小于±1.5dE,在其他频率范围内灵敏度变化不超过-6dE或-lOdBo二级:其灵敏度的不均匀性小于±2dE,在其他频率范闱内灵敏度变化不超过+6dE或-lOdBo 灵敏度校准及其准确度低频段应用国标GB4130-84中规定的一级校准方法进行校准,其校准准确度优于土0.5dE;高频段应用国标GB3223-82中规定的互易法进行校准,其校准准确度应优于土0.7dE°低频段应用国标GB4130-84中规定的二级校准方法进行校准,其校准准确度优于±1.0dE;高频段应用国标GB3223-82中规定的比较法进行校准,其校准准确度应优于±1.5dE°指向性一级:水平指向性:在最高使用频率下的-3dE波束宽度应人于300,在选定方向(或主轴)土50的范围内灵敏度变化应小于土0.2dBo垂直指向性:在最高使用频率下的-3dE波束宽度应人于150,在选定方向(或主轴) ±20的范围内灵敏度变化应小于土0.2dBo二级:在使用的频率范I制内,其水平指向性图与理想的全指向性图的偏差应小于±2dE。