一文读懂换能器

换能器的英文名称是transducer，用于实现不同形式的能量相互转换的仪器或器件可以通称为换能器。例如：电能与声能转换、电能与磁能转换、电能与机械能转挨、电能与光能转换、电能与化学能转换、电能与热能转换等等，在水声领域中常把声呐换能器、水声换能器、电声换能器统称换能器。

水声换能器是完成水下电声信号转换的器件，它是电子设备与水下信号声场间相互联系的纽带。鉴定一部水声仪器性能的好坏，往往是首先看它的换能器性能如何。

水声换能器的分类

按工作形式可分为发射换能器和接收换能器；

按结构形式可分为球形换能器、圆管换能器、弯曲圆盘换能器、复合棒换能器、镶拼圆环换能器、弯张换能器、矢量水听器和光纤水听器等等；

按电场性换能材料可分为压电单晶、压电陶瓷（如钛酸钡、PZT）、压电薄膜（如PVDF）、压电复合材料（如1-3压电复合材料）和弛豫型铁电单晶等等；

按磁场性的换能材料可分为电动式、电磁式、磁致伸缩式、铁磁流体和超磁致伸缩稀土材料等等；

其他：带有匹配层的换能器、电火花声源、MEMS水听器阵列和带有反声障板的声基阵。

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，由此水声换能器也被人们形象的比喻为声纳系统的“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。

水声换能器技术包含新材料、新原理、新结构和新工艺！

不同工作频率的水声换能器的应用

水声换能器基阵在潜艇上的应用

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。

一、电声换能器分类

广义的电声换能器应用的频率范围很宽，包括次声、可听声、超声换能器。属于可听声频率范围内的电声换能器有传声器、扬声器、送受话器、助听器等等。按照换能方式，它们又可以分成电动式、静电式、压电式、电磁式、碳粒式、离子式和调制气流式等。其中后三种是不可逆的，碳粒式只能把声能变成电能，离子式和调制气流式的只能产生声能。而其他类型换能器则是可逆的。即可用作声接收器也可用作声发射器。

二、电声换能器系统组成

各种电声换能器，尽管其类型、功用或工作状态不同，它们都包含两个基本 组成部分，即电系统和机械振动系统。在换能器内部，电系统和机械振动系统之间通过某种物理效应相互联系，以完成能量的转换；在其外部，换能器的电系统 与信号发生器的输出回路，或前级放大器的输入回路相匹配；而换能器的机械振 动系统，以其振动表面与声场相匹配。

电声换能器它包括三个互相联系的子系统。

这三个子系统的复合系统之间的能量关系是非常复杂的， 是互相联系密不可分 的。这三种体系是互相牵制的，处理得不好往往会顾此失彼。例如，一个有效的磁系统可能会非常笨重，变成一种令人不能接受的声障碍物；或者声输入阻抗或 电输出阻抗的数值，可能根本不能与周围媒质或附属设备相匹配。由此可见，电 声换能器的设计总是在许多相互矛盾的因素中采取折衷的办法。

三、电声换能器主要性能

1.换能器的工作频率

换能器工作频率的设计依据涉及传声媒质对超声波能量衰减的因素、检测目标（如缺陷）对超声波的反射特性、传声媒质的本底噪声以及辐射阻抗等等。决定换能器工作频率的影响因素有很多，如激励用电信号的频率、换能器的组装结构设计、工作原理的应用范围与限制条件、换能元件自身的材料物理特性等等。换能器的许多重要性能，如指向性、发射声功率、接收灵敏度以及声场特性等都直接受其工作频率的影响。因此，在确定或选择工作频率时必须兼顾各方面的因素予以综合考虑。就一般而言，发射换能器在其谐振基频上工作时可获得最佳的工作状态，即能获得最大的电声转换效率和发射声功率。同样，在此条件下，作为接收换能器也能获得最佳的频率响应和接收灵敏度。

2.换能器响应（灵敏度）

这是指换能器（或整个仪器系统）输出端的特定量与输入端的另一特定量之比值，通常有以下几种具体性能：

（1）接收电压灵敏度（又称接收电压响应，自由场电压灵敏度）：接收换能器输出端的开路电压与声场中引入换能器前存在于换能器声中心位置处自由场声压之比。常用单位有伏特/微巴（V/μbar）、伏/帕（V/Pa）和分贝（dB）。

这里所谓的自由场是指均匀各向同性媒质中可以忽略边界影响时的声场。有效声中心是指在发生器上或附近的一点，从远处观察时似乎声波是从该点发出的球面发散声波，即声源直径很小以至可以近似地把它看作点声源。 

（2）接收电流灵敏度（接收电流响应，自由场电流灵敏度）：接收换能器输出端的短路电流与声场中引入换能器前存在于换能器声中心位置处自由场声压之比。常用单位有安培/微巴（A/μbar），安培/帕（A/Pa）和分贝（dB）。

（3）声压灵敏度（声压响应）：接收换能器输出端开路电压与换能器接收面上实际声压之比，单位为伏特/帕（V/Pa）。注意该参数与[1]是不同的。

（4）发送电压灵敏度（发送电压响应）：这是用于发射换能器的性能，它指在某频率下，在指定方向上，离开发射换能器有效声中心1米处的表观声压与施加在发射换能器输入端上的信号电压之比，单位为帕/伏特（Pa/V），故此参数和[1]相反。

（5）发送电流灵敏度（发送电流响应）：这也是用于发射换能器的，它指在某频率下，在指定方向上，离开发射换能器有效声中心1米处的表观声压与施加在发射换能器输入端上的信号电流之比，单位为帕/安培（Pa/A）。

（6）发送功率响应：在指定方向上离开发射换能器有效声中心1米处的表观均方声压与发射换能器输入功率之比，单位为平方帕（Pa2）。

（7）发送效率：发射换能器的总输出声功率与输入电功率之比。在考虑输入电功率时，一般不计入为供应固定偏压或励磁用的电功率。注意此参数与换能效率密切相关。

（8）频率响应：理想换能器的频率响应特性要求输出电压与声压成正比而与声波频率无关，这主要是用于接收换能器的性能，与频带范围有关。

3.频带宽度△f　　

对换能器而言时，是指换能器发送响应或接收灵敏度响应的曲线上低于最大响应3分贝时两个频率之差，称为换能器的频带宽度△f（-3dB），如图所示：

在图中，f0为最大响应时的频率，而频带宽度则为：△f=f2-f1

换能器的频带宽度△f与换能器机械品质因素Qm和最大响应频率f0（机械共振频率）有关，他们三者的关系为：Qm=f0/△f

4.品质因素Q　　

这是对单自由度的机械或电学系统共振尖锐度或频率选择性的度量，有机械品质因素Qm和电学品质因素Qe两类。特别要指出，机械品质因素Qm是换能器谐振特性、频带宽度或阻尼的一个量度，尤其是阻尼对换能器的工作状态有非常密切的关系。Qm对换能器产生的波形和接收时的响应曲线等有着重要的影响。 

5.阻抗特性　　

在检测系统中，换能器的作用可以等效于一个电路元件，可以利用电路回路的等效阻抗分析方法描述换能器的工作特性，换能器的阻抗特性与换能器本身的工作方式、组装结构以及换能元件的材料特性等密切相关。

换能器的阻抗特性还应该能与仪器发射电路的电阻抗相匹配，才能达到最佳谐振状态--达到最佳发射特性。

6.指向性因素　　

在检测技术中，一般都要求所使用的换能器有尖锐的指向性，就象使用聚光手电筒照明，这样有利于集中发射能量，在接收时能获得较高的信噪比，也有利于对检测目标的定位评定。 

7.噪音级　　

由于换能器的内阻、导线或负载上分子（或原子）的热运动，即使在外来声压为零的情况下，换能器仍会有一定的电压输出，即为噪音电压Un，其值与换能器灵敏度（响应）U无关。 

除了上述几种主要性能外，在实际应用中反映换能器工作性能的因素还有动态范围、有效带宽、波束宽度、换能器损失等。例如，本专业在超声检测技术中对所用的超声换能器有其特定的要求，包括：

检测用超声换能器一般不需要大功率，而往往只需较小的功率，因为检测用超声波的声强应小到不至引起传声介质的性质发生变化，同时又有足够的强度使接收到的信号明显大于噪音（因此大多采用脉冲波，其瞬时功率较大可以保证有足够的信噪比，而平均功率较小，也使得换能器比较轻巧灵活便于使用）；

作为检测用的换能器，由于是用作物理量的测量，故必须有较好的时间稳定性和温度稳定性等；

在换能过程中，应尽可能保持波形不变（即波形畸变要尽可能地小）才能真实反映检测对象的特征；

对换能器的振动方式有特殊要求，一边能在传声介质中激发出所需要波型的超声波，例如纵波、横波、瑞利波、兰姆波、爬波等等；

此外，在检测条件、对象及环境的需要下，对换能器也有相应的特殊要求，如用于高温、低温环境，水下检测等等。

为了满足上述各种各样的要求，就需要从换能器的材料、形状、结构组成等方面加以考虑。因此，对材料而言，有诸如灵敏度、稳定性、老化性等要求，要求机械品质因素低一些，以免频带宽度不足导致波形畸变等等。对换能器的形状结构直至外壳材料与结构、保护设施等等，也都要考虑技能满足波型方面的要求，也要满足检测对象和使用环境等具体工作条件的要求。

总而言之，对换能器性能的要求是多种多样的，因而换能器的形式和种类也是多种多样的，而且还在不断创新与发展。

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