第三讲让声纳系统耳目一新:新型水声换能器与换能器新技术

文章综述了新型水声换能器设计与换能器新技术的重要进展.主要涉及：稀土超磁致伸缩材料、弛豫铁电材料、压电聚合物薄膜等新材料的发展及其水声换能器的新设计,基于新结构的新型水声换能器,利用不同能量转换机理的新型水声换能器,宽带换能器新技术等等;对于接收型换能器着重介绍了光纤水听器和矢量水听器.     

《水声换能器基础》(第2版)

滕舵杨虎编著西北工业大学出版社,西安,2020年5月,239页,定价:59元水声换能器性能优劣直接决定着水声探测质量。通常,通过建立物理模型、数值分析方法来优化换能器设计。针对具体工程测量和环境特性要求,优选换能器材料,迭代优化符合要求的换能器结构。实际使用中遇到的高压、高温、强腐蚀性流体等恶劣环境,往往影响材料物理性能和换能器结构性能,造成换能器性能下降。在换能器制作过程中,由于缺少材料物理性能、粘接界面性能等关键工艺的深入研究分析,往往会造成结构件可靠性受到环境条件的严重影响,最终导致器件性能急剧下降、甚至失效。因此,兼顾器件声学性能、稳定性和可靠性,是换能器设计面临的挑战。     

外液腔式Janus-Helmholtz水声换能器

为获得具有大功率无指向性发射特性的水声换能器,提出了一种外液腔式Janus-Helmholtz结构。通过设置隔声层改变换能器的声辐射模式,从而改善声辐射效率和无指向性方向的声辐射能力,并利用外液腔振动和Janus换能器纵向振动耦合实现宽带发射。基于有限元法设计了一只工作频段为1.1~3.5 kHz的外液腔式Janus-Helmholtz换能器试验样机。样机测试结果显示与设计结果符合得较好,与内液腔式相比,外液腔式Janus-Helmholtz水声换能器在0°方向的声辐射能力得到了显著改善。      

800Hz Terfenol-D鱼唇式弯张换能器

本文研制了800Hz Terfenol-D鱼唇式弯张换能器，换能器设计中采用永磁偏磁场和能有效抑制涡流损耗的闭合磁路结构，最高声源级185dB，-3dB带宽180Hz,这种鱼唇工弯张换能器克服了连续直流提供偏磁场时发热强的缺点，并且仅需要普通的功率放大器，更适于长时间连续工作，使这一新型低频大功率水声换能器趋于实用化。     

基于相变换能机理的反铁电陶瓷水声换能器初探

阐述了改性锆锡钛酸铅Pb(Zr,Sn,Ti)O3(PZST)反铁电陶瓷作为一种基于相变换能机理的大应变电致伸缩材料的性能特征以及作为水声换能器新型有源材料的优势。采用掺镧改性锆锡钛酸铅PbLa(Zr,Sn,Ti)O3(PLZST)反铁电陶瓷材料首次设计制作了纵振式反铁电陶瓷水声换能器。试验结果表明,PLZST反铁电陶瓷用于水声换能器研制在技术上是可行的,与压电陶瓷换能器比较,目前反铁电换能器样品的等效发射电压灵敏度提高3~5dB以上。根据实验情况,认为在发射电压灵敏度和声源级方面具有进一步提升的潜力。     

一种高灵敏压电平面水声换能器

设计并制作了一种高灵敏压电平面水声换能器。该换能器敏感元件是对1-3-2型压电复合材料结构的改进,即在带基底的压电陶瓷小柱阵列间不注入聚合物,并在其上表面直接覆盖金属板,构成“带基底的压电小柱阵列+金属盖板”结构敏感元件(称为“空气填充型”敏感元件)。对“空气填充型”敏感元件的谐振频率进行了理论计算和有限元仿真,与实测结果较吻合。为便于对比性能,同时制作了同尺寸“1-3-2型压电复合材料+金属盖板”结构敏感元件(称为“聚合物填充型”敏感元件)换能器。分别对“空气填充型”和“聚合物填充型”敏感元件换能器的有效机电耦合系数、发送电压响应和接收灵敏度进行有限元仿真和实测,结果均显示,“空气填充型”敏感元件换能器具有较高的接收灵敏度,相较于“聚合物填充型”敏感元件换能器可提高21 dB。该敏感元件换能器能有效提高灵敏度,可为研制高灵敏换能器提供参考。      

宽带宽波束纵向水声换能器研究

本文通过设计纵向水声换能器辐射头的形状及利用其弯曲振动模,实现宽带宽波束辐射特性,采用后质量块的嵌套结构有效缩小了换能器的长度。利用ANSYS有限元软件模拟了小型宽带宽波束纵向水声换能器的电声特性。研制了换能器样品,实现了与有限元模拟计算结果相一致的电声参数:谐振频率14kHz,最大发射电压响应141．9dB,-3dB带宽为11．3～18．7kHz,-3dB带通Q值为1．9,在14kHz频率下波束宽度为132°,比通常纵向换能器波束宽度宽23％。     

弯曲圆盘驱动的双Helmholtz共振腔换能器

使用双面同相振动的弯曲圆盘换能器驱动双Helmholtz共振腔,既放大了弯曲圆盘换能器弯曲共振频率以下频段的声输出,又利用两个Helmholtz共振腔的同相声源辐射模型实现了在Helmholtz共振频率处的"∞"字形垂直指向性,实现了低频指向性声发射。阐述了换能器实现"∞"字形低频指向性发射的机理,研究了腔体长度、金属圆片厚度及弯曲圆盘边缘简支厚度等关键结构参数对Helmholtz共振频率的影响,求解了换能器的发送电压响应、指向性等参数。依据仿真结果制作了实验样机,在消声水池中进行了电声性能测试。测试结果显示,指向性形状及液腔共振频率与仿真结果基本相符。这种由弯曲圆盘驱动的双Helmholtz共振腔水声换能器为实现水声换能器小尺寸、低频指向性发射提供了一种技术手段。      

混合激励纵振换能器的研究

纵振式换能器是水声领域中不可或缺的一类中频段换能器,本文以超磁致伸缩材料Terfenol-D和压电陶瓷材料PZT作为驱动元件设计混合激励纵振式换能器。利用ANSYS有限元软件建立了有限元模型,对换能器的电声参数进行了优化,并制作一宽带混合激励纵振式换能器,实验测得的换能器与仿真的结果较为吻合,实测换能器的最大发送电压响应为145dB,其工作频带为4kHz-16kHz,频带内发送电压响应起伏为±4.5dB。     

换能器与声系统学术交流会在无锡召开

由中国声学学会水声分科学会、江苏省声学学会,中国造船工程学会船舶仪器仪表学会,中国船舶总公司水声情报网三会一网联合召开的“换能器与声系统学术交流会”于九月九日至十一日在无锡举行。这次学术交流会的宗旨是就超声学和水声学在换能器和声系统的理论、设计原理、测试方法和应用等方面的共同问题进行探讨,不同之处进行交流以达到两学科互相渗透的目的,同时介绍国际、国内换能器及声系统的新材料、新技术、新计量测试标准等。三会一网负责人冯绍松、吴文虬、柳先、刘孟庵、水永安、翁江波等同志出席或主持了会议。大会共收到论文70余篇,有来自全国二十多个单位的80名代表出席。当地有关单位科技人员参加了旁听。     

功率超声振动系统的研究进展

功率超声振动系统是功率超声技术中的关键部分,其主要部分包括功率超声换能器、超声变幅杆以及超声工具头或超声辐射器。本文就功率超声换能振动系统设计中经常遇到的一些关键问题进行了简要的归纳和总结,目的在于为功率超声换能器的优化设计和性能改善提供一些有用的设计指南和解决措施。同时,对一些新的功率超声振动系统进行了介绍,并简要分析了其发展趋势和应用领域。     

低温下压阻式压力传感器性能的实验研究

通过实验对压力传感器的温度效应进行了研究。结果表明 ,当温度在低温范围内变化时 ,压力传感器的零点输出有较大的变化 ,但输出特性仍保持良好的线性 ;灵敏系数随温度的升高而减小。     

压电换能器阻抗匹配技术研究

超声测距传感器是由压电换能器及其收、发电路所组成的，其中压电换能器的阻抗特性直接影响着超声测距传感器的性能。为提高超声波回波信号的强度，扩大超声测距传感器的作用距离，对压电换能器的阻抗特性进行了分析与测试，设计了压电换能器的阻抗匹配电路，并进行了实验验证。     

光弹法测量超声换能器声场

超声换能器声场的测试对于超声检测具有基础性作用,而传统的超声换能器声场测试方法具有一些局限性。本文介绍了搭建的动态激光光弹实验平台,并利用动态光弹法测量了纵波换能器和横波换能器辐射声场的特征,由瞬态声场图像获得了传声介质的声波速度及超声换能器的中心频率;由稳态声场图像获得了声场的近场长度、指向性和扩散角等参数;分析了光弹实验系统和测量方法可能引起测量误差。本文结果表明动态光弹法是一种有效的定量测量超声换能器声场的方法。     

Analysis of 2-D motion tracking in ultrasound with dual transducers

We study displacement and strain measurement error of dual transducers (two linear arrays, aligned orthogonally and coplanar). Displacements along the beam of each transducer are used to obtain measurements in two-dimensions. Simulations (5 MHz) and experiments (10 MHz) are compared to measurements with a single linear array, with and without angular compounding. Translation simulations demonstrate factors of 1.07 larger and 8.0 smaller biases in the axial and lateral directions respectively, for dual transducers compared to angular compounding. As the angle between dual transducers decreases from 90° to 40°, for 1% compression simulations, the lateral RMS error ranges from 2.1 to 3.9 μm compared to 9 μm with angular compounding. Simulation of dual transducer misalignment of 1 mm and 2° result in errors of less than 9 μm. Experiments demonstrate factors of 3.0 and 5.2 lower biases for dual transducers in the axial and lateral directions respectively compared to angular compounding.     

电容MEMS超声换能器研究进展

MEMS(micro-electromechanical systems)超声换能器(MEMS ultrasonic transducer,简称MUT)是采用微电子和微机械加工技术制作的新型超声换能器。与传统超声换能器相比,MUT具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、频率控制灵活、频带宽、灵敏度高以及易于与电路集成和实现智能化等特点。是超声换能器的重要的研究方向之一。MUT的研究主要包括压电MUT(piezoelectric MUT,简称PMUT)和电容MUT(capacitiveMUT,简称CMUT)两个方面。本文概述了CMUT研究的发展进程和研究成果,展望了CMUT的研究和应用前景。     

表面波电磁声换能器的设计

简要介绍了产生表面波的电磁声换能器（EMAT）的工作原理，设计，制作了收发分开的两种EMAT，并建立了实验测试系统、测量了信号和发射EMAT提离距离的关系曲线，研究了激励脉冲个数、接收线圈的匝数对换能器信号的影响等。     

High-overtone self-focusing acoustic transducers for high-frequency ultrasonic Doppler

This work reports the potential use of high-overtone self-focusing acoustic transducers for high-frequency ultrasonic Doppler. By using harmonic frequencies of a thick bulk Lead Zirconate Titanate (PZT) transducer with a novel air-reflector Fresnel lens, we obtained strong ultrasound signals at 60 MHz (3rd harmonic) and 100 MHz (5th harmonic). Both experimental and theoretical analysis has demonstrated that the transducers can be applied to Doppler systems with high frequencies up to 100 MHz.     

Advantage analysis of PMN-PT material for free-flooded ring transducers

The acoustic radiation characteristics of free-flooded ring transducers made of PZT4 and PMN-PT materials are calculated and compared.First,the theoretical formulae for free-flooded ring transducers are studied.The resonant frequencies of a transducer made of PZT4 and PMN-PT materials are calculated.Then,the transmitting voltage responses of the free-flooded ring transducers are calculated using the finite element method.Finally,the acoustic radiation characteristics of the free-flooded ring transducers are calculated using the boundary element method.The calculated results show that the resonant frequencies of the free-flooded ring transducer made of PMN-PT are greatly reduced compared with those made of PZT4 with the same size.The transmitting voltage response of the transducer made of PMN-PT is much higher than that of the transducer made of PZT4.The calculated 3-dB beamwidth of the acoustic radiated far-field directivity of the free-flooded ring transducer made of PZT4 at the resonant frequency 1900 Hz is 63.6 and that of the transducer made of PMN-PT at the resonant frequency 1000 Hz is 64.6.The comparison results show that the free-flooded ring transducer made of PMN-PT material has many advantages over that made of PZT4.The PMN-PT is a promising material for improving the performance of free-flooded ring transducers.