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，在海洋資源探測開發(fā)的技術(shù)競爭、軍事對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，在海洋資源探測開發(fā)的技術(shù)競爭、軍事對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)對超聲波能量衰減的因素、檢測目標(biāo)（如缺陷）對超聲波的反射特性、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)，自由場電壓靈敏度）：接收換能器輸出端的開路電壓與聲場中引入換能器前存在于換能器聲中心位置處自由場聲壓之比。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。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)，自由場電流靈敏度）：接收換能器輸出端的短路電流與聲場中引入換能器前存在于換能器聲中心位置處自由場聲壓之比。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，尤其是阻尼對換能器的工作狀態(tài)有非常密切的關(guān)系。Qm對換能器產(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，也有利于對檢測目標(biāo)的定位評定。

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)在超聲檢測技術(shù)中對所用的超聲換能器有其特定的要求，包括：

檢測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）；

作為檢測用的換能器，由于是用作物理量的測量，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)反映檢測對象的特征；

對換能器的振動(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，在檢測條件、對象及環(huán)境的需要下，對換能器也有相應(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，也要滿足檢測對象和使用環(huán)境等具體工作條件的要求。

總而言之，對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