一文淺析換能器的分類

換能器的英文名稱是transducer，用于實(shí)現(xiàn)不同形式的能量相互轉(zhuǎn)換的儀器或器件可以通稱為換能器。例如：電能與聲能轉(zhuǎn)換、電能與磁能轉(zhuǎn)換、電能與機(jī)械能轉(zhuǎn)挨、電能與光能轉(zhuǎn)換、電能與化學(xué)能轉(zhuǎn)換、電能與熱能轉(zhuǎn)換等等，在水聲領(lǐng)域中常把聲吶換能器、水聲換能器、電聲換能器統(tǒng)稱換能器。

水聲換能器

水聲換能器是完成水下電聲信號(hào)轉(zhuǎn)換的器件，它是電子設(shè)備與水下信號(hào)聲場(chǎng)間相互聯(lián)系的紐帶。鑒定一部水聲儀器性能的好壞，往往是首先看它的換能器性能如何。

水聲換能器的分類

按工作形式可分為發(fā)射換能器和接收換能器；

按結(jié)構(gòu)形式可分為球形換能器、圓管換能器、彎曲圓盤換能器、復(fù)合棒換能器、鑲拼圓環(huán)換能器、彎張換能器、矢量水聽器和光纖水聽器等等；

按電場(chǎng)性換能材料可分為壓電單晶、壓電陶瓷（如鈦酸鋇、PZT）、壓電薄膜（如PVDF）、壓電復(fù)合材料（如1-3壓電復(fù)合材料）和弛豫型鐵電單晶等等；

按磁場(chǎng)性的換能材料可分為電動(dòng)式、電磁式、磁致伸縮式、鐵磁流體和超磁致伸縮稀土材料等等；

其他：帶有匹配層的換能器、電火花聲源、MEMS水聽器陣列和帶有反聲障板的聲基陣。

聲波是迄今為止人類所掌握的唯一能在海洋中遠(yuǎn)距離傳遞信息與傳播能量的載體，由此水聲換能器也被人們形象的比喻為聲納系統(tǒng)的“耳目”。隨著水聲技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展與延伸，在海洋資源探測(cè)開發(fā)的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)、軍事對(duì)抗及全面感知地球的迫切需求背景下，水聲換能器技術(shù)的飛速發(fā)展成為聲納技術(shù)發(fā)展的重要前提。

水聲換能器技術(shù)包含新材料、新原理、新結(jié)構(gòu)和新工藝！

材料技術(shù)：有源材料（壓電材料和磁致伸縮材料），無源材料（吸聲、反聲、透聲、去耦和結(jié)構(gòu)）；

設(shè)計(jì)技術(shù)：理論、結(jié)構(gòu)和匹配設(shè)計(jì)；

制作技術(shù)：加工、裝配和灌封。

不同工作頻率的水聲換能器的應(yīng)用

水聲換能器基陣在潛艇上的應(yīng)用

水聲換能器的使命即是在一定頻帶內(nèi)按規(guī)定的信號(hào)形式激發(fā)產(chǎn)生聲波和不失真地感知與接收水中聲波信號(hào)，由此換能器也被人們形象地喻為聲納系統(tǒng)的“耳目”。隨著水聲技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展與延伸，在海洋資源探測(cè)開發(fā)的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)、軍事對(duì)抗及全面感知地球的迫切需求背景下，水聲換能器技術(shù)的飛速發(fā)展成為聲納技術(shù)發(fā)展的重要前提，新材料技術(shù)、精細(xì)加工技術(shù)、基礎(chǔ)工藝技術(shù)以及數(shù)值計(jì)算分析技術(shù)等為換能器技術(shù)的快速發(fā)展提供了物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)條件。

電聲換能器

能夠發(fā)射或接收聲波，并完成聲波所攜帶的信息和能量與電的信息和能量轉(zhuǎn)換的裝置，就稱為電聲換能器，簡(jiǎn)稱換能器。

一、電聲換能器分類

廣義的電聲換能器應(yīng)用的頻率范圍很寬，包括次聲、可聽聲、超聲換能器。屬于可聽聲頻率范圍內(nèi)的電聲換能器有傳聲器、揚(yáng)聲器、送受話器、助聽器等等。按照換能方式，它們又可以分成電動(dòng)式、靜電式、壓電式、電磁式、碳粒式、離子式和調(diào)制氣流式等。其中后三種是不可逆的，碳粒式只能把聲能變成電能，離子式和調(diào)制氣流式的只能產(chǎn)生聲能。而其他類型換能器則是可逆的。即可用作聲接收器也可用作聲發(fā)射器。

二、電聲換能器系統(tǒng)組成

各種電聲換能器，盡管其類型、功用或工作狀態(tài)不同，它們都包含兩個(gè)基本 組成部分，即電系統(tǒng)和機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)。在換能器內(nèi)部，電系統(tǒng)和機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)之間通過某種物理效應(yīng)相互聯(lián)系，以完成能量的轉(zhuǎn)換；在其外部，換能器的電系統(tǒng) 與信號(hào)發(fā)生器的輸出回路，或前級(jí)放大器的輸入回路相匹配；而換能器的機(jī)械振 動(dòng)系統(tǒng)，以其振動(dòng)表面與聲場(chǎng)相匹配。

電聲換能器它包括三個(gè)互相聯(lián)系的子系統(tǒng)。

1.以輻射或接受聲波的振動(dòng)板為中心的機(jī)械一聲系統(tǒng)。

2.起電一聲兩種能量之間相互變換作用的能量變換系統(tǒng)。

3.擔(dān)任電信號(hào)輸入、 輸出的電學(xué)系統(tǒng)。

這三個(gè)子系統(tǒng)的復(fù)合系統(tǒng)之間的能量關(guān)系是非常復(fù)雜的， 是互相聯(lián)系密不可分 的。這三種體系是互相牽制的，處理得不好往往會(huì)顧此失彼。例如，一個(gè)有效的磁系統(tǒng)可能會(huì)非常笨重，變成一種令人不能接受的聲障礙物；或者聲輸入阻抗或 電輸出阻抗的數(shù)值，可能根本不能與周圍媒質(zhì)或附屬設(shè)備相匹配。由此可見，電 聲換能器的設(shè)計(jì)總是在許多相互矛盾的因素中采取折衷的辦法。

三、電聲換能器主要性能

1.換能器的工作頻率

換能器工作頻率的設(shè)計(jì)依據(jù)涉及傳聲媒質(zhì)對(duì)超聲波能量衰減的因素、檢測(cè)目標(biāo)（如缺陷）對(duì)超聲波的反射特性、傳聲媒質(zhì)的本底噪聲以及輻射阻抗等等。決定換能器工作頻率的影響因素有很多，如激勵(lì)用電信號(hào)的頻率、換能器的組裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、工作原理的應(yīng)用范圍與限制條件、換能元件自身的材料物理特性等等。換能器的許多重要性能，如指向性、發(fā)射聲功率、接收靈敏度以及聲場(chǎng)特性等都直接受其工作頻率的影響。因此，在確定或選擇工作頻率時(shí)必須兼顧各方面的因素予以綜合考慮。就一般而言，發(fā)射換能器在其諧振基頻上工作時(shí)可獲得最佳的工作狀態(tài)，即能獲得最大的電聲轉(zhuǎn)換效率和發(fā)射聲功率。同樣，在此條件下，作為接收換能器也能獲得最佳的頻率響應(yīng)和接收靈敏度。

2.換能器響應(yīng)（靈敏度）

這是指換能器（或整個(gè)儀器系統(tǒng)）輸出端的特定量與輸入端的另一特定量之比值，通常有以下幾種具體性能：

（1）接收電壓靈敏度（又稱接收電壓響應(yīng)，自由場(chǎng)電壓靈敏度）：接收換能器輸出端的開路電壓與聲場(chǎng)中引入換能器前存在于換能器聲中心位置處自由場(chǎng)聲壓之比。常用單位有伏特/微巴（V/μbar）、伏/帕（V/Pa）和分貝（dB）。

這里所謂的自由場(chǎng)是指均勻各向同性媒質(zhì)中可以忽略邊界影響時(shí)的聲場(chǎng)。有效聲中心是指在發(fā)生器上或附近的一點(diǎn)，從遠(yuǎn)處觀察時(shí)似乎聲波是從該點(diǎn)發(fā)出的球面發(fā)散聲波，即聲源直徑很小以至可以近似地把它看作點(diǎn)聲源。

（2）接收電流靈敏度（接收電流響應(yīng)，自由場(chǎng)電流靈敏度）：接收換能器輸出端的短路電流與聲場(chǎng)中引入換能器前存在于換能器聲中心位置處自由場(chǎng)聲壓之比。常用單位有安培/微巴（A/μbar），安培/帕（A/Pa）和分貝（dB）。

（3）聲壓靈敏度（聲壓響應(yīng)）：接收換能器輸出端開路電壓與換能器接收面上實(shí)際聲壓之比，單位為伏特/帕（V/Pa）。注意該參數(shù)與[1]是不同的。

（4）發(fā)送電壓靈敏度（發(fā)送電壓響應(yīng)）：這是用于發(fā)射換能器的性能，它指在某頻率下，在指定方向上，離開發(fā)射換能器有效聲中心1米處的表觀聲壓與施加在發(fā)射換能器輸入端上的信號(hào)電壓之比，單位為帕/伏特（Pa/V），故此參數(shù)和[1]相反。

（5）發(fā)送電流靈敏度（發(fā)送電流響應(yīng)）：這也是用于發(fā)射換能器的，它指在某頻率下，在指定方向上，離開發(fā)射換能器有效聲中心1米處的表觀聲壓與施加在發(fā)射換能器輸入端上的信號(hào)電流之比，單位為帕/安培（Pa/A）。

（6）發(fā)送功率響應(yīng)：在指定方向上離開發(fā)射換能器有效聲中心1米處的表觀均方聲壓與發(fā)射換能器輸入功率之比，單位為平方帕（Pa2）。

（7）發(fā)送效率：發(fā)射換能器的總輸出聲功率與輸入電功率之比。在考慮輸入電功率時(shí)，一般不計(jì)入為供應(yīng)固定偏壓或勵(lì)磁用的電功率。注意此參數(shù)與換能效率密切相關(guān)。

（8）頻率響應(yīng)：理想換能器的頻率響應(yīng)特性要求輸出電壓與聲壓成正比而與聲波頻率無關(guān)，這主要是用于接收換能器的性能，與頻帶范圍有關(guān)。

3.頻帶寬度△f

對(duì)換能器而言時(shí)，是指換能器發(fā)送響應(yīng)或接收靈敏度響應(yīng)的曲線上低于最大響應(yīng)3分貝時(shí)兩個(gè)頻率之差，稱為換能器的頻帶寬度△f（-3dB），如圖所示：

在圖中，f0為最大響應(yīng)時(shí)的頻率，而頻帶寬度則為：△f=f2-f1

換能器的頻帶寬度△f與換能器機(jī)械品質(zhì)因素Qm和最大響應(yīng)頻率f0（機(jī)械共振頻率）有關(guān)，他們?nèi)叩年P(guān)系為：Qm=f0/△f

4.品質(zhì)因素Q

這是對(duì)單自由度的機(jī)械或電學(xué)系統(tǒng)共振尖銳度或頻率選擇性的度量，有機(jī)械品質(zhì)因素Qm和電學(xué)品質(zhì)因素Qe兩類。特別要指出，機(jī)械品質(zhì)因素Qm是換能器諧振特性、頻帶寬度或阻尼的一個(gè)量度，尤其是阻尼對(duì)換能器的工作狀態(tài)有非常密切的關(guān)系。Qm對(duì)換能器產(chǎn)生的波形和接收時(shí)的響應(yīng)曲線等有著重要的影響。

5.阻抗特性

在檢測(cè)系統(tǒng)中，換能器的作用可以等效于一個(gè)電路元件，可以利用電路回路的等效阻抗分析方法描述換能器的工作特性，換能器的阻抗特性與換能器本身的工作方式、組裝結(jié)構(gòu)以及換能元件的材料特性等密切相關(guān)。

換能器的阻抗特性還應(yīng)該能與儀器發(fā)射電路的電阻抗相匹配，才能達(dá)到最佳諧振狀態(tài)--達(dá)到最佳發(fā)射特性。

6.指向性因素

在檢測(cè)技術(shù)中，一般都要求所使用的換能器有尖銳的指向性，就象使用聚光手電筒照明，這樣有利于集中發(fā)射能量，在接收時(shí)能獲得較高的信噪比，也有利于對(duì)檢測(cè)目標(biāo)的定位評(píng)定。

7.噪音級(jí)

由于換能器的內(nèi)阻、導(dǎo)線或負(fù)載上分子（或原子）的熱運(yùn)動(dòng)，即使在外來聲壓為零的情況下，換能器仍會(huì)有一定的電壓輸出，即為噪音電壓Un，其值與換能器靈敏度（響應(yīng)）U無關(guān)。

除了上述幾種主要性能外，在實(shí)際應(yīng)用中反映換能器工作性能的因素還有動(dòng)態(tài)范圍、有效帶寬、波束寬度、換能器損失等。例如，本專業(yè)在超聲檢測(cè)技術(shù)中對(duì)所用的超聲換能器有其特定的要求，包括：

檢測(cè)用超聲換能器一般不需要大功率，而往往只需較小的功率，因?yàn)闄z測(cè)用超聲波的聲強(qiáng)應(yīng)小到不至引起傳聲介質(zhì)的性質(zhì)發(fā)生變化，同時(shí)又有足夠的強(qiáng)度使接收到的信號(hào)明顯大于噪音（因此大多采用脈沖波，其瞬時(shí)功率較大可以保證有足夠的信噪比，而平均功率較小，也使得換能器比較輕巧靈活便于使用）；

作為檢測(cè)用的換能器，由于是用作物理量的測(cè)量，故必須有較好的時(shí)間穩(wěn)定性和溫度穩(wěn)定性等；

在換能過程中，應(yīng)盡可能保持波形不變（即波形畸變要盡可能地?。┎拍苷鎸?shí)反映檢測(cè)對(duì)象的特征；

對(duì)換能器的振動(dòng)方式有特殊要求，一邊能在傳聲介質(zhì)中激發(fā)出所需要波型的超聲波，例如縱波、橫波、瑞利波、蘭姆波、爬波等等；

此外，在檢測(cè)條件、對(duì)象及環(huán)境的需要下，對(duì)換能器也有相應(yīng)的特殊要求，如用于高溫、低溫環(huán)境，水下檢測(cè)等等。

為了滿足上述各種各樣的要求，就需要從換能器的材料、形狀、結(jié)構(gòu)組成等方面加以考慮。因此，對(duì)材料而言，有諸如靈敏度、穩(wěn)定性、老化性等要求，要求機(jī)械品質(zhì)因素低一些，以免頻帶寬度不足導(dǎo)致波形畸變等等。對(duì)換能器的形狀結(jié)構(gòu)直至外殼材料與結(jié)構(gòu)、保護(hù)設(shè)施等等，也都要考慮技能滿足波型方面的要求，也要滿足檢測(cè)對(duì)象和使用環(huán)境等具體工作條件的要求。

總而言之，對(duì)換能器性能的要求是多種多樣的，因而換能器的形式和種類也是多種多樣的，而且還在不斷創(chuàng)新與發(fā)展。

審核編輯：劉清