《水声换能器基础》滕舵，杨虎，李道江编著|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《水声换能器基础》

【作　者】滕舵，杨虎，李道江编著

【丛书名】工业和信息化部“十二五”规划教材

【页 数】 233

【出版社】 西安：西北工业大学出版社 , 2016.04

【ISBN号】978-7-5612-4825-6

【分 类】水声换能器-高等学校-教材

【参考文献】 滕舵，杨虎，李道江编著. 水声换能器基础. 西安：西北工业大学出版社, 2016.04.

图书封面：

图书目录：

《水声换能器基础》内容提要：

本书主要讲述水声换能器的工作原理和工程应用、功能材料的相关知识、设计分析方法、不同类型水声氯化换能器的仿真实例和基阵的基础理论以及水声测试方面的内容。

《水声换能器基础》内容试读

第一章概述

本章主要讨论水声换能器的发展历史，国内外现状、发展趋势及其应用领域：讲述水声换能器的基本概念及其主要分类方式；介绍水声换能器及其基阵的主要性能指标。

第一节水声换能器的发展历程

海洋是人类生存和可持续发展的重要领域，是影响海洋国家政治军事和经济发展的首要因素。近几十年来，随着科学技术的高度发展，人们对海洋的认识不断深化，海洋在经济上的无穷潜力和政治军事上的重要地位日益显现，各国科学家纷纷预言：21世纪是海洋世纪)，海洋将被大规模的开发和利用。因此发展海洋经济策略、维护海洋政治军事秩序是每个海洋大国不可回避的战略性问题。

要对海洋进行深层次的开发与利用，必须先对海洋进行必要的认识。迄今为止，利用声波作为信息载体进行海洋探测是水下信息获取的最佳方式。这是由于相对于其他的信息传递手段

(如电磁波等)而言，声波是唯一能够在海水中进行远距离传播的能量形式。声呐(SONAR)就

是由此产生的水下声设备，它的原意为“声波导航与测距”装置(Sound Navigation And Ran-gig))。声呐作为海洋中的“千里眼”和“顺风耳”，被广泛应用于海洋军事及各种探测，已成为现在水下信息获取的主要装备。由此可见，水声换能器是依附着水下声学而发展起来的。

早在1490年，意大利的Leonardo Da Vinci就发现声波可在水中传播。1826年，瑞士物理学家Daniel Colladon和法国数学家Charles Sturm合作在瑞士日内瓦湖进行了水中声速的第一次测量，由于没有水下电声转换装置，他们就通过测定闪光和水下钟响之间时间间隔的方式测得8℃淡水中的声速为1435m/s(另一种说法为1438m/s),此值与现代测量的8C淡水声速为1439m/s十分接近。

随后l8世纪后期至l9世纪前叶，电信技术推动了电学传感器(Electrical Transducer)的发展，当时通过电-机或磁-机换能器(electromechanical or magnetomechanical transducer)进行电子信号和机械信号之间的相互转换（例如探针指示等形式），尚没有涉及声能量。直到l830年，Joseph Henry通过使用可变磁阻换能器将电声换能器(electroacoustic transducer)引入到了电信技术中，实现了电信号和声信号之间的相互转换。1876年，Alexander Graham

Bell进一步发明了电话。

同一时期关于电声换能器（尚没有涉及水声）进行电声能量相互转换的物理机理研究也在进行。l842年，James Joule发现了磁致伸缩效应(magnetostrictive effect)。1880年，Jacques

Curie和Pierre Curie兄弟发现了压电效应(piezoelectric effect)。这两种物理效应的发现极大地推动了电声换能器技术的发展。随后各种压电材料和磁致伸缩材料被不断地发现、发明并得以应用，这些研究都为水声换能器(underwater transducer)的产生和发展奠定了理论和物质基础。

水声换能器基础

在20世纪初期，首次利用水声进行导航的是潜艇信号公司（后成为雷神公司的一个分部)，他们是通过测量水下声音和空气中声音传播的时间间隔以及应用双耳定位法实现的（见图1-1)。但关于声呐设想的真正方案诞生于1912年的“泰坦尼克号”海难。海难事件告诉人们：海上航船必须安装导航和定位设备。事件发生后不久，英国人L.F.Richardson就提出了水下回声定位方案，即由船舶通过水下发声器向水中发射声波，接收从暗礁、冰山等目标反射回来的回波，来实现探测目标的目的。这是水声史上第一个回声定位方案，遗憾的是他

本人由于当时没有合适的水声换能器，从而没有实现这一方案)。1914年，加拿大人R.A

Fessenden完善了一种新型的动圈式换能器(moving coil transducer)(见图1-2)，并使用它探测到了近2mi(约3.2km)外的冰山。在第一次世界大战中，这种类型的换能器也被美国应用在潜艇上，这应该算是水下电声换能器的首次实际应用。

图1-1早期雷神公司采用双耳法

图1-21914年加拿大人R.A.Fessenden

进行水下探测和定位图

完善的一种新型动圈式换能器

第一次世界大战极大地促使了军用声呐的发展，迫使人们开始对水声学以及相应的水声技术（包括水声换能器技术）进行研究。由于德国击沉了协约国大量的舰船，使其蒙受了重大的损失，这迫使协约国投入大量的人力物力开始研究如何更为有效地发现水下潜艇，其中取得的一个具有里程碑意义的标志性成果就是法国著名爱国科学家Paul Langevin在l916年成功应用石英石制作出了水声换能器，如图1-3所示，并首次将电子学应用于水声技术。他们成功地接收到了海底回波和200m外的一块装甲板的回波，这是人类首次实现利用回声探测水下目标，这在现代声呐的发展上意义重大[)。1918年，Langevin探测到了1500m远的潜艇回波。由此Langevin发现了压电效应真正的实际应用价值，而他所采用的夹心式换能器至今仍被采用。他的工作也表明了只有在水声换能器问世和相关电子技术发展的基础上，水声技术才有可能迅速发展和广泛应用。近代声呐技术的发展也有力地证明了这点。

Langevin的成功极大地促进了回声定位技术在潜艇上的应用。当时英国开始研制一种

称为ASDIC的潜艇探测器(ASDIC是声呐的早期叫法，后来美国人称其为SONAR,英国人接

受了这种叫法并沿用至今)，相关的水声换能器技术也伴随着得以快速的发展。在第二次世界

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第一章概述

大战和冷战期间，各海洋大国对功能材料以及换能器的原理、结构、设计、制作和测试方法等进行了极为广泛的研究，取得了极为丰富的研究成果，使得水声换能器技术得以大踏步地前进。同时由于电子技术和信息科学的突飞猛进，也促进了水声技术的进一步发展。

图1-3法国科学家Paul Langevin及其发明的石英换能器

British Patent 145,691,July 28,1921)

一、电声转换功能材料

功能材料是换能器进行能量转换最为重要的核心部件，可以毫不夸张地说，材料研究是换能器研究的先导。换能器的工作机理取决于功能材料的工作特性，因此功能材料是决定换能器研制、应用和发展的关键因素[。这里介绍两种应用较为广泛的功能材料，一是压电铁电材料，主要是指压电陶瓷，当然还包括压电单晶、压电高聚物、压电复合材料、弛豫铁电单晶等刷；

二是磁致伸缩材料，主要指近年来快速发展的稀土超磁致伸缩材料，即铽镝铁合金。

1.压电铁电材料

从1880年居里兄弟发现石英具有压电性至今，压电材料的发展可归纳为4个阶段，即单晶石英(single-crystal quartz)、单晶罗息盐(single-crystal rochelle salt)、钛酸钡陶瓷(BT)和锆钛酸铅陶瓷(PZT)。第一次世界大战期间，Langevin应用石英品体制成水声换能器，从此压电晶体及其应用的研究才开始取得重大发展。1919年，第一个罗息盐电声器件问世。在随后的20年里，人们对热释电晶体(pyroelectric)和铁电晶体(ferroelectric)进行了研究，直到1943年钛酸钡陶瓷的发现，标志着压电陶瓷从单晶发展到多晶新领域1.1954年，B.Jaffe颁布了锆钛酸铅二元系压电陶瓷，它具有优良的压电性能，从此翻开了压电陶瓷应用新的一页口。随后1965年，日本研制成功了含铌镁酸铅的三元系压电陶瓷，此后各种性能优良的单元系、二元系、三元系、四元系压电陶瓷以及非铅陶瓷、压电半导体陶瓷、铁电热释电陶瓷不断问世，大大促进了压电陶瓷的广泛应用。20世纪70年代国际上开始研究弛豫铁电单晶材料，1997年其研究取得了突破性进展，成功生长出了接近实用尺寸的新型弛豫铁电单晶—铌镁

酸铅-钛酸铅(PMNT)和铌锌酸铅-钛酸铅(PZNT),如图1-4所示。该材料的压电系数为传

统PZT的3~6倍。现在压电陶瓷品种繁多，尤以PZT系列应用最为广泛，其主要特点是具有

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水声换能器基础

优异的机电性能，构形灵活，极化方向可控等，但其密度较大，特性阻抗很高，与水介质的声匹配效果不佳。目前我国已出版了多个关于压电陶瓷行业的命名]及测试标准，产品性能达到国际水平。

图1-4电致伸缩换能器所用的弛豫铁电单晶材料（上海硅酸盐研究所生产的PMNT)

另一方面，从20世纪40年代中期开始，人们发现生物有机体组织具有一定的压电性，至1969年H.Kawai发现聚偏二氟乙烯薄膜(PVDF)经极化处理后具有较强的压电性能，自此有机压电材料及其应用开始迅速发展)。这种压电高聚物的特点是密度小(2g/cm3),声阻抗与水相近，灵敏度较高，制作成本低，但极化困难，适用于水听器材料，不宜制作发射器。

为了综合压电陶瓷和压电高聚物的优点，l978年美国的R.E.Newnham等人提出应用PZT与聚合物进行复合的构想，从此压电复合材料PCM(Piezoelectric Composites Material)得以发展，并取得显著成果。与压电陶瓷相比，压电复合材料改善了压电陶瓷的物理性能和机电参数，已在相关领域取得了好的应用效果。

2.磁致伸缩材料

磁致伸缩的研究开始于1842年焦耳发现焦耳效应(Jules Effect)。到20世纪40年代，人们发现铁、钴、镍、铝等合金具有较大的磁致伸缩系数们，进入60年代又发现了铁氧体材料，这些都称为传统的磁致伸缩材料，它们在换能器的应用上都存在一定的局限性。

20世纪70年代初期，美国水面武器中心的Clark博士发现RFez型二元稀土-铁化合物在常温下有很大的磁致伸缩系数)，20世纪80年代进一步发展成了三元稀土铁化合物，典型材料为TbDy,-,F©2-y,由于它能获得更大的磁致伸缩系数，故被称为超磁致伸缩材料GMM(Giant Magnetostrictive Material)(见图l-5(a),并出现了牌号为Terfenol-D(成分为Tbo.z

Dy.aF.3)的商品化产品18)。这种材料的性能更加稳定，与传统材料相比其主要特点是可

承受压力高达200~700MP,为深海工作提供可能：磁致伸缩应变大（比通常的镍大40~50

倍，较PZT材料大5~8倍)，故在低频下可使换能器获得很高的体积速度和声源级；能量密度

高（比镍大400~500倍，较PZT材料大10~14倍），有利于大功率发射；声速低（比镍小3倍，

约为PZT的一半)，有利于换能器的小型化设计；高的机电转换效率，比PZT高6~30倍；还

有频带宽、激励电压低、响应速度快、居里温度高、可靠性好等优点-。可见这种材料十分适合于低频大功率换能器的研制[2)。超磁致伸缩材料的广泛研究引起了各国政府的高度重视。目前能够批量生产超磁致伸缩材料及产品的公司有50多家，如美国边缘技术公司、美国

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第一章概述

埃特利玛公司、瑞典菲罗迪公司、英国稀土制品有限公司、日本的东芝公司等。我国目前至少有6家可批量生产该种材料的科研院所和企业。

(a)

(b)

图1-5磁致伸缩换能器所用的磁致伸缩材料(a)超磁致伸缩材料Terfenol-ID:(b)大磁致伸缩材料Galfenol

l998年，另一种大磁致伸缩材料(large magnetostrictive material)在美国海军水面战斗中心(Naval Surface Warfare Center,NSWC)研制成功，这就是Galfenol2,如图l-5(b)所示。虽然它的磁致伸缩量仅为Terfenol-D的l/3~1/4,但它仍然具有很大的开发潜力和应用价值2]。

二、水声换能器结构

若从Langevin实现夹心式的石英换能器开始算起，换能器技术已经过了近百年的发展，已然形成了今天结构形式丰富、性能特点各异、应用需求广泛的换能器领域的新局面。水声换能器的结构往往是根据不同的物理效应和换能机理，按照应用需求和性能特点的不同发明或完善的。从Bl发明电话开始，这一应用就促进了人们对电声换能器（这里具体是指话筒和扬声器)的研究，先后涌现了许多划时代的发明，例如动圈式(moving coil)、静电式(electrostatic)、可变磁阻式(variable reluctance)换能器等，当然这个时期尚没有涉及水声领域。尽管基于上述原理和结构的换能器后来也被扩展应用到水声领域，但由于自身的种种限制，最终没有形成水声换能器的主导。直到压电陶瓷和磁致伸缩等功能材料被广泛应用以后，新式的水声换能器及其不同的结构才广泛发展起来，主要有电致伸缩式(electrostrictive)、磁致伸缩式(magnetostrictive)和压电式(piezoelectric)。20世纪30年代人们在压电双晶片器件中首次发现了可利用的弯曲模态，并伴随着压电陶瓷材料的发展，先后对圆盘式弯曲条换能器(flexural bar transducer)2、弯曲圆盘换能器(flexural disk transducer).[](见图1-6)、开槽圆筒弯曲换能器(flexural slotted cylinder transduc-er)[2]等进行了广泛的研究，因其具有良好的低

图1-6弯曲圆盘换能器实物

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水声换能器基础

频、小型化优势，所以人们的研究热度一直持续到70年代才转移到弯张换能器上来。弯张换能器作为一种强功率低频发声器，直到今天仍获得广泛应用①，发展至今至少存在7种类

型2。几十年来人们对弯张换能器结构改进的研究从未间断，也从另一方面说明了弯张换能

器顽强的生命力。图1一？所示为I类凹筒型板条结构弯张换能器。另一种性能优异的低频

发声器当属溢流环。美国海军电子实验室于20世纪50年代开始对其进行全面的研究[2]，D,

H.Robey,G.W.McMahon等人奠定了溢流环分析方法的基础3o-I。发展至今溢流环并没有表现出类似于弯张换能器那样丰富的改型结构，但因其优良的深水特性和大功率性能至今仍被广泛应用。图1-8所示为溢流式嵌镶圆管换能器。上述换能器更多的是作为发声器在水下领域获得了广泛的应用，这里不得不提一种应用更为普遍的高性能换能器类型一复合棒换能器，如图1-9所示。其因具有良好的收发共用特性和阵列排放特性而备受欢迎。复合棒换能器产生的是一种类似于活塞式的振动，因此也有人称其为活塞式换能器(piston transducer)。类似结构的换能器还有Tonpilz型换能器[32（见图1-l0)、Hybrid换能器[s(见图1-11）、Sandwich换能器(Langevin换能器就是利用的这种结构)3)等，这些结构的换能器从一开始就获得了人们的关注并对其进行了研究。在20世纪70一80年代美国水面武器中心又发明了超磁致伸缩材料，并开发了牌号为Terfenol-D的商品化产品，后又开发出了基于超磁致伸缩材料的复合棒式换能器5-]，图1-12所示为超磁致伸缩复合棒换能器。复合棒是换能器是目前应用最为广泛的一类换能器，在后面章节将详细介绍其原理、结构、性能及应用。还有一种可作为小功率发声器和水听器用的新式换能器称为钹式换能器(cymbal transducer),如图1-l3所示。钹式换能器在20

世纪80年代后期由美国宾夕法尼亚州立大学材料研究室在第V类弯张换能器的基础上开发出

来3，它具有结构灵巧、轻质小型的特点，后来由Newnham及其同事将其引入到了水声领域[3]在水下声波接收换能器上，获得普遍应用的有圆管式换能器(Cylindrical Tube Transducer)(见图1-14)和球形换能器(Spherical Transducer)(见图1-15)，另外还有始于20世纪40年代美国开始研制的矢量水听器(Vector Hydrophone)、始于20世纪60年代的压电薄膜水听器(PVDF Pi-ezo-film Hydrophone)和始于20世纪70年代末美国海军实验室开始研制的光纤水听器(Fiber

Optic Hydrophone)[39-o等，如图1-l6和图1-17所示，这些水听器也获得了成功的应用。

上端盖

上质量块

弯曲板条

疏化橡胶

压电陶瓷

预应力螺栓

下质量块

紧固螺栓

下端盖

图1-7【类凹筒型板条结构弯张换能器结构示意图及实物

①现在的文献普遍认为是William J.Toulis于20世纪50年代后期发明了弯张电声换能器.[2列

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···试读结束···