水声发射换能器技术研究综述
- 格式:pdf
- 大小:550.70 KB
- 文档页数:8
海洋论坛▏水声换能器研究进展一、引言声波是迄今为止人类所掌握的唯一能在海洋中远距离传递信息与传播能量的载体,水声技术也因此成为水下通讯导航、水产渔业、海洋资源、海洋地质地貌、军事武器等领域的重要手段。
水声换能器的使命即是在一定频带内按规定的信号形式激发产生声波和不失真地感知与接收水中声波信号,由此换能器也被人们形象地喻为声纳系统的“耳目”。
随着水声技术应用领域的不断拓展与延伸,在海洋资源探测开发的技术竞争、军事对抗及全面感知地球的迫切需求背景下,水声换能器技术的飞速发展成为声纳技术发展的重要前提,新材料技术、精细加工技术、基础工艺技术以及数值计算分析技术等为换能器技术的快速发展提供了物质基础和技术条件。
其中有关新材料、新机理、新结构换能器的发展情况曾在相关综述文章中分别描述过,本文就笔者所掌握的资料和有限的理解水平简要地综述几种典型结构类型换能器近些年的发展状况,主要包括:弯张换能器、圆柱面辐射型换能器、纵向换能器等等。
二、弯张换能器设计研究的新思想及技术动态弯张换能器分为许多类型,其中IV 型弯张换能器是由纵向振子驱动椭圆形外壳做弯曲振动的一类换能器结构形式,常被用于低频大功率发射声源或设计低频主动声纳,如美国海军的拖曳式低频主动声纳(SURTASS-LFA),采用18只大功率IV型弯张换能器组成垂直发射阵,工作频带100~500Hz,声源级220~235dB。
单只换能器用两台S11-48型功率放大器驱动,输出电压1600V,最大声源级215dB。
关于IV型弯张换能器设计改进主要体现在对驱动振子的优化和宽带设计上,有关文献设计了一种长轴加长型结构(图1),以新型弛豫铁电单晶铌镁酸铅—钛酸铅(PMNT)材料叠堆为驱动元件,这种结构思想使换能器在保持频率低、响应高等优点的同时,显著拓宽了工作带宽。
图1 长轴加长型宽带弯张换能器鱼唇式弯张换能器是我们近些年研究的一种新结构弯张换能器,采用变高度椭圆壳体,这样的壳体兼有振幅放大和高度加权放大的“双重放大”作用,采用T erfenol-D超磁致伸缩材料驱动和溢流腔结构,?3dB带通Q值小于3,采用了溢流腔填充顺性材料可获得较大的工作深度,该型换能器目前已经得到广泛应用,谐振频率可以从100Hz覆盖到1.8kHz,单只换能器谐振频率下声源级在190dB以上,图2给出其中两例换能器实物照片,系列换能器中几何尺寸最小的为长轴80mm,最大的长轴大于1m。
2019年第1期声学与电子工程总第133期水声换能器灵敏度混响法校准技术研究纪京召黄勇军(第七一五研究所,杭州,310023)摘要为了提高水声换能器校准的效率,拓展水声换能器校准方法,对水声学中的混响场校准技术进行了研究。
首先介绍了混响法校准原理,分析了混响法校准水听器的关键技术,对混响声场的设计进行了评价。
文章给出了水听器灵敏度混响法校准方法,分析混响水池的建设条件,给出了混响水池设计的尺寸要求以及材料要求。
关键词混响法;灵敏度校准;混响水池;空间平均法;水声换能器混响声场的研究最早开始于空气声学领域,主要用于声学材料的吸声系数、建筑物声传递损失和声源声功率等参数的测量。
水声学领域关于混响声场的研究较少,1961年,HGDiestel将混响场理论应用于水听器校准中。
我国也开展了一些混响声场在水声学中应用的研究。
早在1963年,南京大学吴文虬教授将混响法应用于水声学中⑴,俞孟萨在半混响环境中测量水下结构辐射声功率,李琪利用混响法开展重力式水洞噪声测量研究,尚大晶利用混响法开展了水下复杂声源辐射声功率测量研究等叫目前国内外对水声换能器及阵列的测试大多在能够模拟自由场条件的消声水池内进行,而对于 较低频率(几百赫兹或更低)的测试,则需要在特殊的声场内或者开阔水域进行。
而这些方法都有自己的一些局限性。
例如,在特殊声场例如耦合腔法W或者振动液柱法等测试装置的声场一般都不会太大,这就要求换能器的尺寸不能太大,并且不能进行多个换能器同时测试,导致测试效率较低。
而在开阔水域进行,环境带来的影响无法排除,会增加 测试的不确定度,并且外场测试耗费的人力物力往往都很大,不能满足长时间多次测试的需求。
因此本文开展水声换能器在混响场内的测试技术研究。
相对于自由场测试,混响场测试方法在相同尺寸的水池下具有更低的截止频率,同时可实现多个换能器的同时测试,提高了测试效率并且降低了测试成本。
混响声场是应用混响法的必要条件,在水声领域中,目前对混响水池的研究还不成熟,空间平均法是从测量方法上消除混响声场的不均匀。
水声换能器在海底通信中的研究实现智能封堵器的水上水下通讯系统,以完成平台的遥控操作。
由于海向(声轴方向)上离其有效声中心参考距离上所产生的自由场声 P压与 f 洋环境的特殊性,采用了水声无线通信方式。
水声通信系统不同于传统换能器输入端的激励电压有效值 V 的比值。
的无线通信系统,它必须通过非常特殊的水声信道,即通过海水媒质传 P(1m)?df0 S = (Pam/v)?v [1]V 输信息。
海水媒质极为复杂多变,传播过程中媒质对声能的吸收和波参考距离 d=1m,S的分贝表示成为发射电压响应级: 0v 阵面的扩展导致信号的衰减;海面和海底对声波的散射和反射导致了 Sv 多径现象;还有海水媒质的不均匀性以及水下存在大量的干扰噪声,都 SL=20lg(dB)v(S)基准值(S)=1μPam/v。
?[1]vref vref换能将使水声信号产生畸变。
本文的主要工作完成了在通信过程中起着重器还有其他的一些特性,如指向性等。
要转换作用的水声换能器的研究以及选型工作,并且通过水试实验确 3.水声换能器 FS Q- 37 定了信号的水下传输频率。
经过调研和选型,本文水试实验中采用的水声发射换能器是中国科学院水声研究所研制的浅海圆柱型压电陶瓷换能器 FSQ-37 。
压电陶瓷换能器是当前水声领域中广泛使用的一类换能器。
其主要优点为:(1)当它工作在发射状态时,它可作为强功率辐射器,其电声效率也较高,约在 30- 70%之间;(2)当它工作在接收状态用作接收器时,它有较高的接收灵敏度,约几十至几百微伏/ 帕;(3)它可作为各种形状的换能器,如复合棒型、柱型和球型等换能器。
具有结构简单、工作性能稳定的特[6] 点。
发射换能器外观见图 2。
图 1 智能封堵器通信过程示意图水声换能器是实现电声能量相互转换的器件,根据用途可分为发射器和接收器(或水听器)。
智能封堵器通信信号流程如图1 所示。
此通信系统主要研究的是从母船或平台计算机操作界面发出指令数据,将数字信号经由 modem转换调制成模拟信号,经过功率放大匹配电路,送至水声换能器,转换成声信号。
Journal of Sensor Technology and Application 传感器技术与应用, 2023, 11(2), 194-201 Published Online March 2023 in Hans. https:///journal/jsta https:///10.12677/jsta.2023.112021水声换能器研究现状与发展吴锐锋,王一博,胡童颖,崔廷放广州海洋地质调查局,广东 广州收稿日期:2023年1月3日;录用日期:2023年3月22日;发布日期:2023年3月31日摘要水声换能器在现代海洋军事与海洋资源开发中有着举足轻重的地位。
本文通过阐述水声换能器功能性材料技术、换能器、水听器技术取得的国内外领先成果和应用现状,最后对我国水声换能器的发展动态谈些认识与展望。
关键词水声换能器,水听器技术,发展动态Progress and Development of Underwater Acoustic TransducerRuifeng Wu, Yibo Wang, Tongying Hu, Tingfang CuiGuangzhou Marine Geological Survey, Guangzhou GuangdongReceived: Jan. 3rd , 2023; accepted: Mar. 22nd , 2023; published: Mar. 31st , 2023AbstractUnderwater acoustic transducer plays a pivotal role in modern marine military and marine re-source development. This paper expounds the leading achievements and application status of un-derwater acoustic transducer functional material technology, transducer and hydrophone tech-nology at home and abroad, then give the development trends of underwater acoustic transducer.KeywordsUnderwater Acoustic Transducer, Hydrophone Technology, Development Trends吴锐锋等Copyright © 2023 by author(s) and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License (CC BY 4.0)./licenses/by/4.0/1. 引言当今世界各国积极发展海洋军事的战略中不难发现,探测安静型、隐形化目标,发展海洋装备从而加强海上防御能力,都是不可或缺的一部分。
水声换能器原理
水声换能器是一种将水中的声波信号转换为电信号的装置。
它是水下通信、声纳、测深等水下探测技术中不可或缺的一部分。
水声换能器的原理是利用压电效应将水中的声波信号转换为电信号。
压电效应是指某些晶体在受到机械应力时会产生电荷分布不均的现象。
这种晶体被称为压电晶体。
当压电晶体受到声波的作用时,晶体内部的电荷分布会发生变化,从而产生电信号。
这个过程被称为压电效应。
水声换能器通常由一个压电晶体和一个负载电路组成。
压电晶体通常是一块圆形的陶瓷片,它的两面分别涂有金属电极。
当水声换能器受到声波的作用时,压电晶体会产生电荷分布不均,从而产生电信号。
这个电信号会被传输到负载电路中,经过放大和处理后,就可以得到原始的声波信号。
水声换能器的性能取决于压电晶体的材料和结构。
目前常用的压电晶体材料有铅锆钛酸钠、铅镁铌酸钛、铅锆钛酸钙等。
这些材料具有良好的压电性能和稳定性,可以满足不同应用场合的需求。
水声换能器是一种将水中的声波信号转换为电信号的装置,它的原理是利用压电效应将水中的声波信号转换为电信号。
水声换能器的性能取决于压电晶体的材料和结构,不同的应用场合需要选择不同的压电晶体材料。
水声换能器与换能器阵技术研究水声换能器与换能器阵技术作为水下声波信号处理的关键技术,在海洋探测、水下通信、军事应用等领域具有广泛的应用价值。
本文将详细阐述水声换能器与换能器阵技术的研究现状、应用前景、技术原理及实验设计,以期为相关领域的研究提供参考与借鉴。
水声换能器与换能器阵技术研究涉及多个学科领域,包括声学、物理学、电子工程等。
目前,研究者们已经提出了多种水声换能器设计与实现的方法,如压电陶瓷换能器、磁致伸缩换能器、电致伸缩换能器等。
同时,为了提高声波信号的接收与发送效率,研究者们还研发了多种换能器阵列,如线性阵列、平面阵列、球面阵列等。
水声换能器与换能器阵技术的应用前景主要体现在以下几个方面:潜艇声呐系统:潜艇声呐系统是水下声波信号处理的重要应用之一,通过使用水声换能器和换能器阵技术,可提高潜艇的探测能力、定位精度和通信效率。
海洋探测:海洋探测是水声换能器与换能器阵技术的另一重要应用领域,如海底地形地貌探测、海洋资源开发等。
深海钻探:深海钻探过程中,水声换能器和换能器阵技术可用于传递控制信号和收集钻探数据,提高深海钻探的安全性和效率。
水声换能器与换能器阵技术的发展前景广阔,但仍面临诸多挑战。
未来研究方向可包括:高性能水声换能器的设计和制作,以提高声波信号的发送和接收效率。
低成本、大规模的换能器阵列制造技术的研究,以降低应用成本,促进普及化。
复杂水声环境下的信号处理算法研究,以提高水声信号的抗干扰能力和通信可靠性。
水声换能器与换能器阵列的优化配置与协同工作,以实现更高效的声波信号处理。
水声换能器与换能器阵技术的原理主要是基于声波的传播规律和换能器的物理特性。
声波作为一种机械波,传播时需要介质。
在水下环境中,声波主要通过水介质传播,其传播速度受到水温、盐度、压力等多种因素的影响。
水声换能器的主要功能是将电信号转换为声波信号进行传播,或者将声波信号转换为电信号进行接收。
其工作原理主要基于压电效应、磁致伸缩效应、电致伸缩效应等物理效应。
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。
哈尔滨工程大学本科生专业实习专题报告实习专题报告题目:水声换能器实习名称:专业实习班级:20100521学号:2010052109学生姓名:李伟伟指导教师:哈尔滨工程大学2013年9月1日1哈尔滨工程大学本科生专业实习专题报告摘要随着社会的发展,换能器在各行各业中扮演的角色越来越重要,而水声换能器在军事上的特殊和重要地位促使水声换能器行业飞速发展,本文旨在介绍水声换能器的种类、技术参数以及制作水声换能器的材料。
关键词:换能器,压电陶瓷引言: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。
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1哈尔滨工程大学本科生专业实习专题报告用低频大孔径声纳。
水声论坛▏莫喜平:我国水声换能器技术研究进展与发展机遇迄今为止,声波被认为是唯一能够在海洋中远距离传播的信息载体,海洋研究、资源开发、海上军事斗争都离不开水声技术。
水声技术的发展需要各类水声换能器提供支撑,而水声换能器的使命任务是在水下发射和接收声波,因此水声换能器有“水声设备耳目”之称。
水声换能器的发展主要包括应用新材料、采用新工艺、设计新结构等实现换能器综合技术性能的改善和提升,来自水声技术领域的迫切需求是水声换能器发展的直接动力。
笔者曾撰写综述性文章,从几个不同角度去分析总结水声换能器百年研究历史中的创新思想,梳理了国际上不同时期换能器方面的标志性创新工作。
本文则聚焦国内近20年水声换能器方面的研究成果,主要包括低频换能器、高频宽带换能器、深水换能器以及矢量水听器等方面的研究新进展。
在分析总结基础上,结合我国的海洋科技发展战略与形势,简要论述当前水声换能器技术所面临的挑战与发展机遇。
一、我国水声换能器技术研究进展水声换能器是在水介质中实现声与其他形式能量或信息转换的一类传感器;水声换能器是声呐系统最前端的设备,也是声呐系统与水介质相互作用、交流信息的“窗口”。
水声换能器技术研发领域涉及多学科交叉融合,与之密切关联的学科主要包括:物理学、材料学、数学、力学、电子学、化学、机械学等,因此水声换能器的发展与其他基础学科的成就息息相关,并同时受到各个关联学科发展的制约。
从我国水声换能器数十年发展历史来看,最大的发展动力来自于水声技术领域的应用需求,而直至20世纪末我国水声换能器技术发展还缺乏全局性和系统性。
近20年,我国水声换能器技术逐步进入系统性发展阶段,从新材料应用、新结构、新工艺方面实现换能器综合技术性能的优化与提升,在几个典型技术方向上形成了系列研究成果。
⒈低频换能器研究进展针对超远程水下信息传输和超隐身潜艇探测发展的迫切需求,低频发射换能器成为 21 世纪以来水声换能器领域最受关注的热点方向之一,国外超远程探测与通讯声呐工作频带已经降低到100Hz左右。