水声发射换能器技术研究综述
水声探测技术简介
水声探测技术简介 随着海洋开发的日益深入，用于水下探测的相关技术越来越受到人们的重视。水声探测的关键技术有水声换能器和信号处理。 水声遥控系统框架、应用情况，发展情况近年来,由于军事和海洋开发的要求，人们开始越来越重视水下通信系统的研究与开发。由于电磁波在水中传播时衰减严重。而声波是人类迄今为止已知的唯一能在水中远距离传播的能量形式，所以海洋中检测、通信、定位和导航主要利用声波。 水声换能器 水声换能器是把声能和电能进行相互转换器件。在声纳中的地位类似于无线电设备中天线，是在海水中发射和接收声波的声学系统。其中把声能转换为电能的换能器叫作接收器或水听器；把电能转换为声能的换能器叫作发射器。有些声纳用同一只换能器来发射和接收音拐—些则使用分开的发射器和水听器。通常按换能器的机理把水声换能器分为5类。 动圈换能器载有信号电流的环形线圈在磁铁的环形缝隙中的恒定磁场里运动，线圈的运动传到与外壳相连的膜片上向外部介质辐射声波这种换能器被广泛用作水下宽带校准声源。 静电换能器当在—个介电媒质分开的表面充以不同电荷时，将互相吸引而产生力，当电荷变化使力改变时，可以使与它相连的膜片运动从而向外辐射声波，静电换能器在空气中有广泛应用，如电容传声器。但在水声中应用很少。 可变磁阻换能器它是静电换能器的磁学类比改变通电线圈中的电流引起磁 板面间缝隙中力的变化产生膜片的振动从而幅射声波。 磁致伸缩换能器它最适合于在声阻抗较高的介质如海水中工作，在水声中广泛应用。 压电换能器它可以由真正的压电材料如石英，也可以是由已极化的电致伸缩材料制成，如特种陶瓷，目前用的较多的是钦酸钡错。 信号处理 随着信号处理技术的迅速发展，特别是以数字信号处理器及其相关算法为技术支撑的数字滤波技术的出现，使得信号滤波处理的性能得到了大幅度的提高。在水声信号处理器的研制中，采用厂针对性的自适应滤波模块，应用现代数字信
201110水声换能器在水下探测应用中的发展
水声换能器在水下探测应用中的发展 郑乙 （海军装备部，山西侯马043003） [摘要]水声换能器是利用声波对水下目标进行探测、识别以及定位或者进行水下通信和发报的主要工具。用来发射声波的换能器称为发射器。当换能器处于发射状态时，将电能转换成机械能，再转换成声能。目前利用压电材料设计的常规换能器阵元，尤其是低频换能器，由于其结构上的特点，使得体积与重量庞大，不仅使制造、使用与维修成本提高，而且对平台提出了特殊要求，并限制了组阵的规模和形式，从而约束了战术与技术指标。如何解决声基阵的组阵规模与组阵形式问题，如何将低频、高频声纳基阵的结构设计统一起来，并在新阵元结构的基础上，通过组合大规模共形基阵，提高声纳基阵的各项技术指标，无疑是发挥平台与水中兵器作战性能，提高我军水下作战能力的迫切需要。 [关键词]水声换能器；水下探测；应用；发展 1新型压电复合换能器 图３．１月芽式压电复合换能器阵元与阵元剖面图 图３．２钹式换能器阵元与阵元剖面图 月芽式压电复合换能器（如图3.1）和钹式压电复合换能器（如图 3.2）是当前国外重点研究的最具代表性的弯张换能器。这两种结构的 压电复合换能器由其金属端帽的形状而得名。月芽式结构的金属端帽腔 体为月芽式，而钹式结构的金属端帽腔体为翘钹式，腔体为空气，它们 都是通过金属与压电陶瓷复合制作而成。金属—压电陶瓷复合材料通过 板状、壳状和帽状金属与压电陶瓷复合，改变陶瓷内部的应力分布，从 而提高压电材料的性能。 其主要特点是设计简单、易于加工、成本低。月芽式压电复合换 能器和钹式压电复合换能器显现出良好的压电性能，这种结构通过帽状 金属与陶瓷介面的应力转换，改变陶瓷介面的应力分布，使复合材料的 纵向压电性能和横向压电性能产生加合作用，从而大大提高材料的压电 耦合性能d h 。其中月芽结构复合材料的d h较压电陶瓷高10～20倍。帽 状结构可以较压电陶瓷提高30～40倍。月芽和帽状金属—压电陶瓷复 合材料与压电陶瓷的性能比较见表3.1。 表３．１金属—压电陶瓷复合材料的性能 2钹式换能器 图４．１钹式换能器阵元基本结构剖面图 图４．２钹式阵元陶瓷片的径向位移转化为金属帽厚度方向位移 阵元结构：阵元基本结构如图4.1，它是由两片冲压成钹状的金属 片与压电陶瓷片粘结成型，金属片材料可以为钛合金、黄铜、合金钢 等。利用钛合金作为金属片材料，可以使钹式阵元具有较大的抗水压性 能，对于阵元直径dp=10mm的钹式换能器可以承受600米水深时的 压力。但是钛合金材料较黄铜和合金钢材料昂贵，因此在不考虑水深使 用时，钛合金材料相对受限。黄铜与合金钢材料相比，当它们同时应用 于钹式阵元时，黄铜材料的钹式阵元具有更好的压电性能。压电陶瓷的 材料也主要包括PZT-4、PZT-8和PZT-5，钹式换能器作发射换能器 使用时，常用PZT-4和PZT-8压电陶瓷，作接收换能器使用时，常 用PZT-5压电陶瓷。工作原理：当在钹式阵元的两极施加电压时，压 电陶瓷会产生纵向和横向的振动，压电陶瓷的纵向振动，使得阵元的两 金属片直接产生纵向位移；压电陶瓷片的横向位移使得金属片发生径向 的压缩或扩张，由于钹式的特殊形状，这同样导致金属片顶端产生纵向 的位移，如图4.2。压电陶瓷纵向和径向位移都会使得金属端帽产生纵 向的位移，而且两种位移叠加后的结果，即为金属端帽的位移，从而产 生了金属端帽位移的放大。 3钹式压电换能器的特点及应用前景 3.1钹式压电换能器的特点 1）阵元体积小，静压压电系数高，易与水介质匹配，具有十分大 的带宽；其中利用凹型阵元设计、特殊静液压平衡设计，突破基阵的工 作深度限制。 2）为水下平台与水中兵器提供一类全面适用的声传感器与阵列， 该类声基阵体积小、重量轻、适用范围广，采用共形阵方式，布阵安装 灵活，对平台结构无要求。 3）由于新型钹式阵元小而轻的特点，可以将其进行大规模组阵， 获得较高灵敏度（FFVS）和较大的发射幅压响应（TVRS）。 4）用钹式阵元设计理论与专用软件，将各个频段（下转第60页）
水声换能器的基础知识
水声换能器基础知识 地球表面积的71%是海洋，海洋里蕴藏着丰富的生物和矿物质资源，是人类今后生存和发展的第二个空间。而声纳这一水下探测设备则是人类开发海洋的重要帮手，更是海军和民用航海事业不可缺少的组成部分。声纳设备的功能，就是收听水下有用信号并把它转变为电信号以供视听；或者自身产生一个电信号再转变为声信号在水介质中传播，遇到目标后反射回来再进行接收，转变为电信号供收听或观察，由此来判断被测物体的方位和距离。在这个水下电声信号的转换过程中，关键设备就是水声换能器或是换能器阵。 1. 水声换能器的应用 目前，水声换能器已经普遍地应用到工业、农业、国防、交通和医疗等许多领域。这里仅介绍几种在水下探测方面的应用： （1）在测深方面的应用：为保证航行安全，无论是军舰或是民船都要安装测深声纳；专门的航道检测船只都配备精度高、功能齐全的测深仪。根据测深深度的不同，测深换能器的频率和功率也相差甚远。以频率范围在10kHz~200kHz的较多，功率从数瓦到数十千瓦不等，其中，高频小功率用于内河或浅海，低频大功率用于远洋、大深度。对这类换能器的要求是波束稳定、主波束尖锐。 （2）在定位和测距方面的应用：测量航船对地的航行速度，大多采用多普勒声纳，利用四个性能相同的换能器分别排列与龙骨相垂直的左右舷方向上。一般工作频率在100kHz~500kHz。 （3）在海洋考察和海底地层勘探方面的应用：海底地质调查主要采用低频大孔径声纳。拖曳式声纳是当今装在活动载体上最大尺寸的声学基阵，作用距离也最远。水中成像方面，通常采用高频旁视声纳，在船底左右舷对称地沿龙骨平行方向装两个直线基阵，各自向海底发射扇形指向性声束，然后接收来自海底的反射波，由于海底凹凸不平反射波强度有别，在显示图像上就会出现亮度不同的图像，因为工作频率较高，声信号衰减较快，作用距离不远，现在试验的频率范围为数十千赫到500千赫。 2. 水声换能器的分类 换能器按照不同的机电能量转换原理可以分为电动式、电磁式、磁致伸缩式、静电式、压电式和电致伸缩式等。如廿世纪中叶开发的压电陶瓷是经过高压直流极化处理之后才具有压电性的，因此，被称作电致伸缩材料，是当今压电换能器的主流，尤其在超声换能器领域有极其广泛的使用价值。 水声换能器按照不同的振动模式可以分为以下几类： （1）纵向振动换能器：其振动方向与长度方向平行。在换能器的长度方向传播应力波，它的谐振基频取决于长度，是声纳系统中使用得最广泛的类型。 （2）圆柱形换能器：采用压电陶瓷圆管（或圆环），通过合适的机械结构，安装成所需的长度。它可以做成水平无指向性、垂直指向性可控的宽带换能器，是声纳系统中仅次于纵向换能器的一种类型，此外它还是水声计量中惯用的标准水听器和标准发射器的选型之一。 （3）弯曲振动换能器：弯曲振动换能器具有低频下尺寸小、重量轻的优点（与相同频率下、同一种有源材料的换能器相比较），其振动形式有弯曲梁、弯曲圆盘、弯曲板等。
(完整版)第2章水声换能器
第2章 水声换能器1.水听器2.水声发射换能器3.实验 1.水听器 (1) 分类 根据其用途和校准的准确度 根据其使用材料 根据其用途和校准的准确度分为两级： A.一级标准水听器 建立水声声压基准，并通过它传递声学量单位。绝对法校准。 B.二级标准水听器（测量水听器）用作实验室中一般测试。比较法校准。 根据其使用材料可分为：a 、压电式：b 、动圈式（或电动式）c 、磁致伸缩式d 、光纤式 (2) 参数①水听器接收灵敏度 ②水听器的指向性③水听器的电阻抗④动态范围 ①水听器接收灵敏度水听器自由场电压灵敏度： 水听器在平面自由声场中输出端的开路电压与声场中放入水听器之前存在于水听器声中心位置处自由场声压的比值。 水听器声压灵敏度：水听器输出端的开路电压与作用于水听器接收面上的实际声压的比值。②水听器的指向性 · 指向性响应图 · 指向性指数 · 指向性因数 水听器的指向性图 表示水听器在远场平面波作用下，所产生的开路输出电压随入射方向变化的曲线图。 指向性指数DI 和指向性因数R θ 对于水听器，其指向性因数代表定向接收器输出端的信噪比比无指向性接收器输出端的信噪比提高的倍数。10lg DI R θ=
③水听器的电阻抗 在某频率下加于换能器电端的瞬时电压与所引起的瞬时电流的复数比。换能器电阻抗的倒数称为换能器的电导纳。 ④动态范围水听器主轴方向入射的正弦平面行波使水听器产生的开路电压等于水听器实际输出的带宽1Hz的开路噪声电压时，则该声波的声压级就是水听器的等效噪声声压级。水听器的过载声压级与等效噪声声压级之差。 水听器的过载声压级引起水听器过载的作用声压级。 水听器的等效噪声压级 （3）GB/T4128-1995 一、二级标准水听器声学性能指标 灵敏度 指在水听器输出电缆末端测得的声压灵敏度或自由场低频灵敏度。 按照国家标准规定用于1Hz~100kHz频率范围的压电型标准水听器（以下同）： 一级：不低于-205dB(0dB re 1v /μPa) 二级：不低于-210dB（0dB re1v/μPa） 自由场灵敏度频率响应 自由场灵敏度频响相对于声压灵敏度在整个使用频率范围内，至少有三个十倍频程范围：一级：其灵敏度的不均匀性小于±1.5dB，在其他频率范围内灵敏度变化不超过+6dB或-10dB。 二级：其灵敏度的不均匀性小于±2dB，在其他频率范围内灵敏度变化不超过+6dB或-10dB。灵敏度校准及其准确度 低频段应用国标GB4130-84中规定的一级校准方法进行校准，其校准准确度优于±0.5dB；高频段应用国标GB3223-82中规定的互易法进行校准，其校准准确度应优于±0.7dB。 低频段应用国标GB4130-84中规定的二级校准方法进行校准，其校准准确度优于±1.0dB；高频段应用国标GB3223-82中规定的比较法进行校准，其校准准确度应优于±1.5dB。 指向性 一级：水平指向性：在最高使用频率下的-3dB波束宽度应大于300，在选定方向（或主轴）±50的范围内灵敏度变化应小于±0.2dB。 垂直指向性：在最高使用频率下的-3dB波束宽度应大于150，在选定方向（或主轴）±20的范围内灵敏度变化应小于±0.2dB。
水声探测技术实验指导书三_五
实验三海洋环境噪声的测量及频谱分析 本实通过对现有舰船辐射噪声采集数据进行处理，得到某一实验过程海洋环境噪声的分布规律，并将所得结果作图表示。 一、实验目的 1、了解以舰船辐射噪声为代表的海洋环境噪声的基本特性。 2、掌握基本的时-频处理方法。 3、以实测数据为例，通过上机操作，达到一定的实际训练。 二、实验仪器 计算机 三、实验原理 1、海洋噪声的来源 海洋噪声的来源是多方面的，总的归纳起来有几大类： (1) 动力噪声：由、涌、浪引起低频压力脉动，水中引起的压力起伏，以及海浪拍岸的噪声，雨噪声等。 (2) 冰下噪声：由冰层运动引起的碰撞、摩擦和破裂的噪声，以及不平整的冰层表面与大气、海流相互作用的噪声。 (3) 生物噪声：由海洋动物所引起的各式各样的声音。 (4) 地震噪声:由地震、火山爆发以及海啸产生的噪声。 (5) 工业噪声：由人类的各种活动所引起的噪声。如船舶航行的噪声，港口作业噪声，海底作业噪声等。 以上这些噪声源各有其自己的频谱特性。通过频谱分析，不但可以了解声源信息，如根据海洋噪声探测海上风浪的情况，还可以根据海洋噪声场的特性，提高水声器材的抗干扰性能。因此，有必要进一步了解水下噪声场的谱特性。 2、船舰噪声的谱特性 舰船在水中运动时，将辐射噪声，其来源有下列三个方面： (1) 机械噪声：主机、辅机和各种空调设备产生的机械振动，它通过船壳辐射到海中。 (2) 螺旋桨噪声：螺旋桨转动产生水介质空化引起的空化噪声、及它的划水声和涡流声。 (3) 水动力噪声：水流过船壳产生的摩擦声及附件产生共振辐射的声音。 在多数情况下，机械噪声和螺旋桨噪声是主要的。图5-1是典型的舰船噪声图谱。在低频段，谱级随频率增高而增大。在100~1000Hz之间出现一个峰值，主要是由于空化噪声产生的，峰值位置取决于舰船的航速。在此频段以后，以大约每倍频程6dB的坡度下降。另外还可以看到，在低频段出现一些线谱，它是机械噪声和螺旋桨“叶片速率”的谱线，早高频端这些谱线被连续谱掩盖，所以从
水声探测技术实验指导书三-五
实验三海洋环境噪声的测量及频谱分析本实通过对现有舰船辐射噪声采集数据进行处理，得到某一实验过程海洋环境噪声的分布规律，并将所得结果作图表示。 一、实验目的 1、了解以舰船辐射噪声为代表的海洋环境噪声的基本特性。 2、掌握基本的时-频处理方法。 3、以实测数据为例，通过上机操作，达到一定的实际训练。 二、实验仪器 计算机 三、实验原理 1、海洋噪声的来源 海洋噪声的来源是多方面的，总的归纳起来有几大类： (1) 动力噪声：由、涌、浪引起低频压力脉动，水中引起的压力起伏，以及海浪拍岸的噪声，雨噪声等。 (2) 冰下噪声：由冰层运动引起的碰撞、摩擦和破裂的噪声，以及不平整的冰层表面与大气、海流相互作用的噪声。 (3) 生物噪声：由海洋动物所引起的各式各样的声音。 (4) 地震噪声:由地震、火山爆发以及海啸产生的噪声。 (5) 工业噪声：由人类的各种活动所引起的噪声。如船舶航行的噪声，港口作业噪声，海底作业噪声等。
以上这些噪声源各有其自己的频谱特性。通过频谱分析，不但可以了解声源信息，如根据海洋噪声探测海上风浪的情况，还可以根据海洋噪声场的特性，提高水声器材的抗干扰性能。因此，有必要进一步了解水下噪声场的谱特性。2、船舰噪声的谱特性 舰船在水中运动时，将辐射噪声，其来源有下列三个方面： (1) 机械噪声：主机、辅机和各种空调设备产生的机械振动，它通过船壳辐射到海中。 (2) 螺旋桨噪声：螺旋桨转动产生水介质空化引起的空化噪声、及它的划水声和涡流声。 (3) 水动力噪声：水流过船壳产生的摩擦声及附件产生共振辐射的声音。 在多数情况下，机械噪声和螺旋桨噪声是主要的。图5-1是典型的舰船噪声图谱。在低频段，谱级随频率增高而增大。在100~1000Hz之间出现一个峰值，主要是由于空化噪声产生的，峰值位置取决于舰船的航速。在此频段以后，以大约每倍频程6dB的坡度下降。另外还可以看到，在低频段出现一些线谱，它是机械噪声和螺旋桨“叶片速率”的谱线，早高频端这些谱线被连续谱掩盖，所以从图上看不到。 图1 典型的舰船噪声图谱
水声换能器
一、1-3-2型复合材料矩形线列换能器阵 (1) 矩形线列换能器阵结构 利用1-3-2型复合材料阵元组成的矩形线列换能器阵结构见图1，该线列阵由四片矩形1-3-2复合材料阵元构成，阵元沿直线紧密排列。四个1-3-2型复合材料阵元的外形尺寸、内部结构完全相同，均为25mm×25mm×5mm的矩形薄片，内部结构的每个周期中陶瓷柱截面为0.84mm×0.84mm，环氧树脂宽为0.43mm，陶瓷基底厚为0.5mm。1-3-2型复合材料矩形线列换能器阵的其它辅助部件包括换能器外壳、背衬、解耦材料、聚氨酯、电极引线和电缆等。其中外壳材料选用金属黄铜，形状为上部敞口的长方体空盒，外形尺寸为114mm×33mm×15mm，四面侧壁厚度为2mm，底座厚6mm，其中开有83mm×4mm×3mm 的走线槽。另外，底座中心还有一直径3mm的通孔，用于同轴电缆穿过。外壳的作用主要是定位阵元，承受压力和抗腐蚀等。设计中采用硬质泡沫塑料作为换能器的背衬和边条，背衬和边条厚度均为2mm，复合材料阵元通过环氧粘接剂粘在背衬上，背衬具有反声、绝缘的作用；每个阵元四周由硬质泡沫边条将阵元之问、阵元与外壳之间隔离，目的是解耦和绝缘。另外，背衬和边条还起到定位复合材料阵元的作用。换能器阵元上表面，即换能器辐射面被覆有2mm厚的聚氨酯匹配层，用于防水、透声。 图1矩形线列换能器阵结构 (2) 矩形平面阵结构 图2矩形平面阵结构 (a)整体结构(b) 剖面结构(c) 外壳结构
(3) 圆柱形换能器 (b) 图3圆柱形换能器参考附件中李莉的毕业论文112-128页 二、平面水听器及双激励加匹配层换能器 （非压电复合材料）参考杭州应用声学所
水声技术应用于海底观测
水声技术应用于海底观测 时龙 a14海技 140105315 主题词：水声技术海底地震台风资源 ROV 观测网 内容摘要：海洋蕴含着丰富的矿产、生物、燃料等资源，人类对海洋的开发也才刚刚起步。运用水声技术，结合遥感、遥测可以三维立体的对海洋进行监测，可以降低一些自然海洋灾害带来的损失。配有水声等装置多功能的水下机器人（ROV）可以进行水下作业，勘测海底地形，寻找海底资源。构造出海洋观测网可以全方位的观测海洋，随时随地了解海洋动态变化，更加了解海洋，也为以后更好的开发海洋打下基础。 正文： 海洋总面积约为3.6亿平方公里，约占地球表面积的71%，海洋中含有十三亿五千多万立方千米的水，约占地球上总水量的97%。对人类来说，海洋还存在许多的未知。海洋中有丰富的资源，如生物资源还有一些石油，天然气，可燃冰等燃料资源，人类将要面临的资源危机可以从开发海洋这方面打开突破口。海洋给予人类很多的恩惠也同样会带来一些麻烦，如海底地震带来的海啸，它不仅会带来经济上的损失还会造成人员的伤亡，还有每年都会有的台风，它虽然会带来丰富的降水，但也具有很强的破坏力，会造成很大的经济损失。这些海洋带来的灾难我们无法避免，但如果我们可以尽快知道甚至可以预测到它们的发生，那么我们就可以提前做好准备，如疏散人员，给一些重要的物品做好保护工作，这样做我们就可以把灾难带来的伤害降到最低。 由于海洋的环境限制，人类很难通过亲临去现场观测，海底有一些危险的生物会威胁到观测者的生命安全还有海底的强大压强会让人感到不适甚至会内脏出血直至付出生命的代价。这些限制让人类选择其他的方法去观测海洋，进而为开发海洋做好基础准备工作。人类目前常用卫星遥感来观测海洋表面，因为海洋深部是没有光的，所以我们就要用水声技术来对海底进行观测。声音在水下传播性能很好，于是声呐雷达等一系列水声探测设备应运而生。本篇论文主要讲述水声技术在海洋观测方面的一些应用。 台风是指形成于热带或副热带26℃以上广阔海面上的热带气旋。台风达维穿过黄海后于2012年8月2日在江苏北部登陆。国家海洋局第一海洋研究所于台风达维过境前后在黄海开展了声传播实验。台风改变了海洋水文环境并对声传播产生影响。台风前后的声速剖面和接收声信号明显不同。用声传播模型计算了简正波和群速度,并模拟了接收声信号。观测和模拟结果表明:台风导致声速剖面的变化,声速剖面的变化导致简正波及其群速度改变,进而造成接收信号的不同。
水声探测技术综述
水声探测技术综述 水声探测技术综述 黄威 (中国地质大学机械与电子信息学院,湖北武汉430074) 高新技术 摘要:随着海洋开发的日益深入,用于水下探测的相关技术越来越受到人们的重视. 水声测深技术作为用于水下探测的一种重要技术,主要用来测量水中物体的位置及形态和对水下地形的描绘.本文简要介绍了 水声探测的基本原理,分析了其中的关键技术, 并对其未来的发展进行了展望. 关键词:水声;探测;技术 1引言 水声遥控系统框架,应用情况,发展情况近年来,由于军事和海洋开发的要求, 人们开始越来越重视水下通信系统的研究与开发.由于电磁波在水中传播时衰减严重,而声波是人类迄今为止已知的唯一能在水中远距离传播的能量形式,所以海洋中检测,通信,定位和导航主要利用声波. 2声波检测原理 声波威超声波)所测的声学参数是:被检测介质L距离内的声波传播时间T,波 幅A及波动的振动频率F.介质内声波的传播,是质点弹性振动的传递过程,由弹 性理论可知,在无限介质中不考虑体积压力作用时,用位移表示的各向同性的理想弹性体的波动方程如下: 尸 罢+(1) 0H日
(),+)+V(2) p:(+).6O+v "(3) 0Z 疗』Ou.Ou 式中言表示在声波扰动下 体积相对变化,为体积膨胀率,tlx~tl…u,分别表示X,Y,z方向的位移,入和为拉梅常数, vz:++ 0xOy为拉普拉斯算子,p为密度. 由(1)(2邸)可算得: = ~/p(1+E(1)-(1o)(4) e=J=(5] 式中E为弹性模量,G为剪切模量,为泊松比,c.和ct为纵波及横波传播速度.可见只要测得纵波及横波传播时间,计算出C.及ct, 由(4)(5)可算出介质的动弹性力学参数E,G及 .此外声速还反映介质的密实程度及各种不连续面,缺陷及结构特征. 3水声换能器 水声换能器是把声能和电能进行相互转换的器件.在声纳中的地位类似于无线电设备中的天线,是在海水中发射和接收声波的声学系统.其中把声能转换为电能的换能器叫作接收器或水听器I把电能转换为声能的换能器叫作发射器.有些声纳用同一只换能器来发射和接收 声音一些则使用分开的发射器和水听器.通常按换能器的机理把水声换能器分为5类. 3.I动圈换能器
水声换能器与基阵的测量
水声换能器与基阵的测量 1. 阻抗 水声换能器的阻抗通常是指在水声换能器电端测得的电阻抗，具体是指在某一固定频率下加到换能器输入端的瞬时电压与流入换能器的瞬时电流的复数比，单位为欧姆，用符号Z表示。 水声换能器的电导纳则是电阻抗的倒数，即指在某一固定频率下流入换能器的瞬时电流与加到换能器输入端的瞬时电压的复数比，单位为西门子，用符号Y表示。 利用阻抗分析仪可直接测出换能器在串联模式下的电阻抗和并联模式下的电导纳，但该方法通常只用于换能器在小信号状态下的阻抗或导纳测量。 2. 发送响应及声源级 水声发射换能器的发送响应按参考电学量的不同分为发送电压响应、发送电流响应和发送功率响应。 在水下电声测量中，人们通常习惯用分贝来表示某一参量在某一空间点、某一时刻的幅度，相对于一个参考幅度的大小，即所谓级的概念，如声压级、声源级、发送电压响应级、发送电流响应级和发送功率响应级等等。 （1）发送电压响应 换能器发送电压响应是指，在指定方向上，离发射换能器有效声中心1m处的表观声压与加到换能器输入端的电压之比。 （2）发送电流响应 换能器发送电流响应是指，在指定方向上，离发射换能器有效声中心1m处的表观声压与流入换能器的电流之比。 （3）发送功率响应 换能器发送功率响应是指，在指定方向上，离发射换能器有效声中心1m处的表观声压的平方与输入换能器的电功率之比。 （4）声源级 发射换能器的发射声源级是指，在指定方向上，离发射换能器有效声中心1m处的表观声压级。 3. 指向性 指向性是指换能器的发送响应或自由场灵敏度随发送或入射声波方向变化的特性，一般用指向性图、指向性因数和指向性指数来表示。 指向性是一个方向的函数，通常用D(θ,φ)来表示，其中φ是水平角，θ是垂直角。因此指向性图是个空间立体图，而且它又是频率的函数，所以指向性图通常要标明测量的频率和测量平面。在实际测量中，指向性图是二维的，通常是指水平指向性图或垂直指向性图。 如果换能器是互易的，则它的发射指向性图和接收指向性图是相同的，但在高功率状态下，由于非线性的影响，发射指向性图和接收指向性图稍有差异。 指向性图通常要作归一化处理，因为它是任一方向上发送响应或接收灵敏度相对于参考方向（通常为声轴方向）上发送响应或接收灵敏度的变化曲线，即将轴向发送响应或接收灵敏度设为0dB，再将任意方向上的发送响应或接收灵敏度与轴向发送响应或接收灵敏度的比值随方向的变化用极坐标或直角坐标下的图形表示出来。 指向性图的特征参量通常用波束宽度和最大旁瓣级来表示。 波束宽度指从主轴的最大响应下降3dB（或6dB、10dB）时左右两个方向的角度，通常称之为下降3dB（或6dB、10dB）的波束宽度。 最大旁瓣级是指最大旁瓣比主轴的最大响应下降的分贝数。 4. 电声线性范围
被动声呐信号测试＼跟踪方法综述
被动声呐信号测试＼跟踪方法综述 摘要弱信号检测的研究作为水声信号处理领域内尚未攻克的难题引起众多学者关注，主要对于被动声呐信号测试、跟踪方法的研究现状进行分析，说明对于利用现有声呐信息，结合新的信号处理方法，提高被动声呐弱目标信号的检测和跟踪性能具有一定帮助。 关键词声呐信号；测试；跟踪 水下目标隐身技术的迅猛发展必然促使反隐身技术的进步。作为水下目标探测的第一选择，声呐首当其冲应该接受这一严峻挑战。弱目标信号的检测、跟踪和参数估计成为目前水声信号处理研究的重点和难点。本文主要就被动声呐信号测试、跟踪方法的研究现状进行分析与探讨。 1 被动声呐弱信号检测方法 在水声信号处理领域，对微弱信号检测的需求最初出现在水雷的探测研究方面；随着增大自导作用距离要求的提出，在鱼雷自导信号处理中，也提出了微弱信号检测、估计以至识别的要求；伴随着水下隐身目标的出现，弱信号的检测日益成为声呐信号处理研究的重点。 解决水下隐身目标的探测问题，可能的技术途径有：采用超低频（1Hz—100Hz）被动声呐（单纯的被动声呐），这种方法需要超大尺寸（300米以上）基阵，工程实现造价高、难度大；采用被动合成孔径技术，这方面的技术难题尚未攻克；采用主、被动低频拖曳线列阵声呐，由于拖曳式线列阵声呐具有很大的基阵孔径，在很低的频率上仍有较大的指向性指数（DI），便于低频信号的接收。工作频率的降低，既使传播衰减（TL）大为降低，又使得目标信号中相对较强的低频成分，特别是低频线谱，能够得到有效的接收。由于拖曳式线列阵声呐的声学模块远离拖曳平台，平台本身噪声的影响大为减少，同时，通过调整基阵的拖曳深度。可以选择较好的传播条件。可见，拖曳式线列阵声呐无疑是一种有效的远距离探测水下目标的装备。另一方面，工作于低频的主动声呐，具有避开消声瓦吸声频段、低频声波海水吸收小利于远程探测、可以提供目标距离和运动参数等优越之处。因此，主、被动拖曳线列阵声呐是解决水下隐身目标探测问题的有效手段。 2 被动声呐信号跟踪方法 水下多目标跟踪技术的研究，对于海防、区域防御、作战监视、海上安全作业及海洋开发等领域有着广泛的应用价值和重要的战略意义，因此，在近四十年来这一问题受到许多发达国家的密切关注。 多目标跟踪问题的研究至今已有40多年的历史。在最近的20多年中，多目标跟踪问题已经受到许多科学家与工程师们的极大关注，在理论研究和技术应用
基于有限元法的水声换能器设计与分析
基于有限元法的水声换能器设计与分析 李道江，陈航，倪云鹿 基金项目：高等学校博士学科点专项科研基金（20070699018） 作者简介：李道江（1982-），男，博士研究生，主要研究方向：水声换能器及基阵的优化设计. （西北工业大学航海学院，西安 710072） 摘要：本文阐述了利用有限元法研究换能器的原理，利用有限元法对Tonpliz 型换能器进行 了模态分析和谐响应分析，根据分析结果制作出换能器实物并进行了消声水池试验测试。测 试结果表明：在一定误差范围内，有限元法能够有效地对换能器的工作状态进行仿真模拟， 并能准确地解算其工作参数，能为换能器的设计和优化提供可靠的技术指导。 关键词： 有限元法；水声换能器；模态分析；谐响应分析；试验测试 The Design and Analysis of Underwater Transducer based on the Finite Element Method LI Daojiang, Chen Hang, NI Yunlu (School of Marine Technology, Northwestern Polytechnical University, Xi'an 710072, China) Abstract: The theory of the Finite Elements Method is expatiated, the modal analysis and harmonious analysis is done by the Finite Elements Method, the transducer is made according to the analytic results and the experiments are carried out. The experiment result shows that: the working state of transducer can be simulated and the working parameters can be calculated by the Finite Elements Method in a certain error range, and dependable technique can be supplied for transducer’s design and optimization. Key words: the Finite Element Method; modal analysis ；underwater transducer ； harmonious analysis; experiment test 0 引言 Tonpliz 型换能器也称为喇叭型换能器，由于在几何尺寸、性能参数和安装等方面具有 的优点，目前在各型声纳中得到广泛的应用[1]。 目前水声换能器的研究方法有：等效网络法、瑞利法以及有限差分法和有限元法[2]。前两种方法都是通过等效网络分析换能器的工作特 性，其特点是结果精确但计算繁复。而有限元法将换能器复杂的结构化整为零，进行离散化， 建立局部矩阵，然后在集零为整，通过计算机对其进行数值计算，具有建模简单、运算速度 快、结果直观等特点[3]-[6]。本文利用有限元法研究了Tonpliz 型换能器，制作出实物并进行 了消声水池测试。 1 理论分析 有限元法处理结构问题的有限元方程为[7]： [][][]M u C u K u F ++= （1） 式中[]M 是质量矩阵，[]C 是阻尼矩阵，[]K 是刚度矩阵，u 是节点位移，F 是载荷矢 量。 式（1）中当F =0时，分析类型为模态分析，主要用于计算结构体的固有频率和振型，
水声物理现状与发展趋势
水声物理现状与发展趋势 李风华 （声场声信息国家重点实验室，中国科学院声学研究所，北京 100080） 1 引言 声波在海洋中的衰减比电磁波小1000倍以上，这一物理特性决定了声波是探测海洋的一个主要手段，其在水下战争中有重要的应用。水声学主要是研究声波在海洋中产生、传播和接收的规律及利用声波探测海洋环境或水下目标的学科。 近代意义上的水声学可以追溯到1826年瑞士物理学家科拉顿和法国数学家是斯特姆在日内瓦湖测量声在水中传播的速度。在英国科学家LF 里查孙和美国科学家RA 费森登提出的方案基础上，1914年第一台回声探测仪成功探测到在两英里外的冰山。在第一次世界大战期间，法国著名科学家郎之万在赛纳河中利用压电晶体探测河中反射体，形成了现代声纳的雏形。 到了第二次世界大战，声纳已经成为海军的装备。在这这期间的声纳使用中发现了很多奇怪现象（比如著名的“午后效应”），这些现象促使水声学的各个分支迅猛发展。有关水声学发展的论述需要由一系列专著来完成。受篇幅限制，本文只简要介绍与讨论水声物理各分支目前的研究进展及其发展趋势，并侧重回顾我国水声科研人员的研究成果。 2 声传播理论（Propagation ） 水声传播理论主要揭示声波在水中的传播规律，是水声学研究的基础。声传播理论的核心问题就是求解满足相应边界条件的波动方程： 222210(,)p p c r z t ????=， （1） 其中c (r , z )是海水的声速在空间上的分布，p 为声压。从上世纪中叶开始，水声学家采用不同近似发展了大量求解上述方程的计算方法(有关海洋声学计算方法的详细讨论可参考文献 [1]，其对各种方法进行了很好的描述)，有代表性的计算方法主要包括： 2.1射线方法（Ray Method ） 在上世纪六十年代以前，射线方法是海洋声学研究的主要方法。射线声学假设声波是由射线来传递声能量，从声源出发的射线按一定的路径传播到达接收点，接收到的声场是沿所有到达射线的声能叠加结果。所以利用射线方法计算声场时有两个基本的方程：一个是确定射线行走规律的程函方程（Eikonal Equation ）；一个是确定单根射线强度的输运方程（Transport Equation ）。图1是一个典型深海中的声线轨迹图。
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
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 3 莫 喜 平 (中国科学院声学研究所 北京 100080) 摘 要 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.关键词 换能器,光纤水听器,矢量水听器 I nnova ti ons for sonar:new technology and desi gns for underwa ter acousti c transducers MO Xi 2Ping (Institute of Acoustics,Chinese Acade m y of Sciences,B eijing 100080,China ) Abstract Recent significant advances in the design and technol ogy of under water acoustic transducers are re 2viewed .These include the devel opment of functional materials for transducers,and new designs based on new ma 2terials such as rare earth giant magnet ostrictive materials,relaxor ferroelectrics and p iezoelectric poly mer fil m s .Novel types of transducers with innovative structures or different energy transfer mechanis m s,and the most recent technology for br oadband transducers are described .In the category of receiver type transducers discussi on is fo 2cused on the fiber op tic hydr ophone and vector hydr ophone . Keywords transducer,fiber op tic hydrophone,vect or hydr ophone 2005-09-30收到初稿,2006-01-19修回 Email:moxp@mail .i oa .ac .cn 1 引言 声波是迄今为止人类所掌握的唯一能在浩瀚大海中远距离传递信息和能量的载体,在陆地上人们利用电磁波研制了雷达,类似地人们利用声波这种信息载体研制了对水下目标实现探测、定位、识别和通信的电子设备———声纳.面对广阔的海洋,声纳肩负着重要的使命:触及浩瀚大海的各个角落、识别其中形色各异的事物、告诉人们海底世界的真面目、协助人们探究海洋的奥秘……成为水下通信导航、水产渔业、海洋资源开发、海洋地质地貌探测、军事武器等领域的重要手段.声波之所以成为水下最佳信 息载体,是由于在水介质中声波与电磁波等其他物 理场相比具有最小的衰减系数,可以获得远距离传播,这个优点使得声纳从最初利用超声波观察水下目标开始而不断发展起来.目前声纳的工作频段已经拓展到很宽的范围,主动声纳从几十赫兹到几十兆赫兹,被动声纳的低频端已经拓展到次声范围,在如此宽的频带内,按规定的信号形式激发产生声波和不失真地感知与接收水中声波信号的重要器件被称为声纳换能器或声纳基阵.这些器件是声纳系统最前端的设备,也是声纳系统与水介质相互作用、交流信息的“窗口”,是声纳系统功能的“实现者”,于
利用VI改造水声换能器测试系统
利用VI改造水声换能器测试系统 VI 阅览次数：923 作者：糜锋单位：中国船舶重工集团722研究所中心计量室武汉 针对传统水声换能器测试中存在的问题，提出了一种利用虚拟仪器技术，通过计算机的控制实现换能器自动测 试的方案。该方案在提高了换能器测试的准确度的同时，也大大的提高了测试效率，将测试人员从繁杂的估算、记录 中解脱中来。 水声换能器 LabVIEW 数据采集 Abstract: For measuring underwater transducer,this paper proposes a method which can make the whole measure procedure to be automatic and improve the accuracy. Keyword: VI Translater LabVIEW DAQ 声波是已知的唯一能够在水中远距离传播的波动，在这方面远比电磁波(如无线电波、光波等)好，因此声波是目前水下通信的主要手段。当前，世界各国都在开展水声通信方面的研究。 水声通信中的一个关键设备就是水声换能器，它是发射和接收水中声信号的装置。应用最广泛的是电声转换的水声换 能器，即转换电能为水中声能的水声发射器，以及转换水中声能为电能的水声接收器(即水听器)。显然，换能器的性能将直接影响到水声通信的质量。改造前的水声换能器测试是基于丹麦B&K公司的一整套测试设备的，具体为信号发生
器（Sine/Noise Generator Type 1054）、功率放大器（Power Amplifier Type 2712）、测量放大器（ Measuring Amplifier Type 2610）、带通滤波器（Band Pass Filter Type 1617）及绘图仪等。 1）由信号发生器及功率放大器将特定频率和幅度的信号送给水下的发射换能器，将电信号转换为声信号； 2）声信号通过喇叭有方向性向水下传播，3）待测换能器在一定距离远处做匀速的水平转动，在各个角度接收声信号并转换成电信号； 4）测量放大器接收从换能器传输过来的电信号，经带通滤波器过滤后送给绘图仪打印角度－幅度的测试曲线； 5）测试人员根据测试曲线及标准换能器的参数人工计算出灵敏度及偏差，判断该换能器是否合格，最后将测试结果记录。 以上测试方法中需要人工参与计算，因此而带来的误差也较大，而且当测试数目较多时，测试效率就成了很大的问题。 再者，因为绘图仪属于机械设备，长时间使用后也会出现绘图不准的现象。所以，现急需一种能解决该系统存在问题 的改造方案。 1）自动计算出灵敏度和水平指向性偏差并判断是否合格，整个过程不需要人工计算，提高测试准确度。 2）能输入换能器号、测试日期等信息，能在屏幕上即时绘制测试曲线，能打印测试报告。 3）将测试结果存盘为EXCEL能编辑的文件格式，方便以后查询打印 4）能进行循环测试，提高测试效率。 通过调研、分析，我们决定采用虚拟仪器技术，利用数据采集卡和中央控制计算机来采集、处理测试数据，实现以上 功能。
【CN210159911U】一种小型化低频水声换能器【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)实用新型专利 (10)授权公告号 (45)授权公告日 (21)申请号 201920666968.6 (22)申请日 2019.05.10 (73)专利权人 苏州静声泰科技有限公司 地址 215699 江苏省苏州市张家港经济开 发区(市高新技术创业服务中心静声 泰) (72)发明人 唐俊 (74)专利代理机构 苏州创元专利商标事务所有 限公司 32103 代理人 刘鑫 (51)Int.Cl. B06B 1/08(2006.01) G01S 15/88(2006.01) G01S 7/521(2006.01) (ESM)同样的发明创造已同日申请发明专利 (54)实用新型名称 一种小型化低频水声换能器 (57)摘要 本实用新型公开了一种小型化低频水声换 能器，包括卧式磁致伸缩驱动器、声辐射面板、驱 动转换机构；卧式磁致伸缩驱动器包括壳体、沿 左右方向设于壳体中的线圈、定子、可沿轴向形 变伸缩的穿设于定子中的Terfenol -D磁致伸缩 棒、分别连接在Terfenol -D磁致伸缩棒两端的预 紧力机构和作动力驱动杆；线圈用于在通过交流 电流激励信号时为Terfenol -D磁致伸缩棒提供 外部激励磁场，以驱动Terfenol -D磁致伸缩棒沿 轴向产生正向或反向的形变伸缩；驱动转换机构 用于放大作动力驱动杆的轴向位移，并将其转换 为声辐射面板沿竖直方向的位移。本实用新型一 种小型化低频水声换能器，采用卧式结构，能够 尽可能地在较小的厚度空间范围内，增大磁致伸 缩棒的长度，从而降低磁致伸缩驱动器有效工作 频率。权利要求书1页 说明书4页 附图2页CN 210159911 U 2020.03.20 C N 210159911 U