電聲轉換�是把聲能轉換成電能或電能轉換成聲能的器件,電聲工程中�傳聲��揚聲��耳機是最典型的電�、聲能之間相互變換的器些器件�(tǒng)稱為電聲換能��
廣義的電聲換能器應用的頻率范圍很寬,包括次聲、可聽聲、超聲換能器。屬于可聽聲頻率范圍內的電聲換能器有傳聲�、揚聲器、送受話器、助聽器等等。按照換能方�,它們又可以分成電動�、靜電式、壓電式、電磁式、碳粒式、離子式和調制氣流式等。其中后三種是不可逆的,碳粒式只能把聲能變成電�,離子式和調制氣流式的只能產生聲�。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�(fā)射器�
各種電聲換能器,盡管其類�、功用或工作狀�(tài)不同,它們都包含兩個基� 組成部分,即電系�(tǒng)和機械振動系�(tǒng)。在換能器內部,電系�(tǒng)和機械振動系�(tǒng)� 間通過某種物理效應相互�(lián)�,以完成能量的轉�;在其外�,換能器的電系統(tǒng) 與信號發(fā)生器的輸出回路,或前級放大器的輸入回路相匹配;而換能器的機械振 動系�(tǒng),以其振動表面與聲場相匹��
電聲換能器它包括三個互相聯(lián)系的子系�(tǒng)�
1.以輻射或接受聲波的振動板為中心的機械一聲系�(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.擔任電信號輸�� 輸出的電學系�(tǒng)�
這三個子系統(tǒng)的復合系�(tǒng)之間的能量關系是非常復雜�� 是互相聯(lián)系密不可� �。這三種體系是互相牽制�,處理得不好往往會顧此失�。例如,一個有效的 磁系�(tǒng)可能會非常笨�,變成一種令人不能接受的聲障礙物;或者聲輸入阻抗� 電輸出阻抗的�(shù)�,可能根本不能與周圍媒質或附屬設備相匹配。由此可�,電 聲換能器的設計總是在許多相互矛盾的因素中采取折衷的辦法�
1.換能器的工作頻率
換能器工作頻率的設計依據(jù)涉及傳聲媒質對超聲波能量衰減的因�、檢測目標(如缺陷)對超聲波的反射特性、傳聲媒質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,如激勵用電信號的頻率、換能器的組裝結構設計、工作原理的應用范圍與限制條�、換能元件自身的材料物理特性等�。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可獲得的工作狀�(tài),即能獲得的電聲轉換效率和發(fā)射聲功率。同�,在此條件下,作為接收換能器也能獲得的頻率響應和接收靈敏��
2.換能器響應(靈敏度)
這是指換能器(或整個儀器系�(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,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中可以忽略邊界影響時的聲場。有效聲中心是指在發(fā)生器上或附近的一�,從遠處觀察時似乎聲波是從該點�(fā)出的球面�(fā)散聲�,即聲源直徑很小以至可以近似地把它看作點聲源。在給出換能器自由場電壓靈敏度時,一般還應同時指明參考點,指定方向和輸出��
若是接收換能器輸出端阻抗無限大時,則此時的接收電壓靈敏度就稱為開路靈敏度(或稱開路響應)�
就所用單位而言,“伏�/微巴”意味著作用在換能器上的聲壓�1微巴�1μbar=0.1N/m2=1達因/厘米2)時在換能器輸出端負載上可得�1伏特的電壓,顯然此值越�,則接收靈敏度越高,因為換句話來�,就是一定的聲壓作用能得到較大的開路電壓�
在用分貝(dB)表示時:△dB=20lgM0(V/μbar�/1(V/μbar�
這是�1V/μbar為零分貝(參考點靈敏度),將觀測到的靈敏度除以參考點靈敏度所得到的商再取�10為底的對�(shù)并乘�20,從而得到用分貝表示的自由場電壓靈敏��
[2]接收電流靈敏度(接收電流響應,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�/帕(A/Pa)和分貝(dB��
[3]聲壓靈敏度(聲壓響應):
接收換能器輸出端開路電壓與換能器接收面上實際聲壓之比,單位為伏特/帕(V/Pa�。注意該參數(shù)與[1]是不同的�
[4]�(fā)送電壓靈敏度(發(fā)送電壓響應)�
這是用于�(fā)射換能器的性能,它指在某頻率下,在指定方向上,離開�(fā)射換能器有效聲中�1米處的表觀聲壓與施加在�(fā)射換能器輸入端上的信號電壓之�,單位為�/伏特(Pa/V),故此參數(shù)和[1]相反�
[5]�(fā)送電流靈敏度(發(fā)送電流響應)�
這也是用于發(fā)射換能器�,它指在某頻率下,在指定方向�,離開發(fā)射換能器有效聲中�1米處的表觀聲壓與施加在�(fā)射換能器輸入端上的信號電流之比,單位為帕/安培(Pa/A��
[6]�(fā)送功率響應:
在指定方向上離開�(fā)射換能器有效聲中�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]�(fā)送效率:
�(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,一般不計入為供應固定偏壓或勵磁用的電功�。注意此參數(shù)與換能效率密切相關�
[8]頻率響應�
理想換能器的頻率響應特性要求輸出電壓與聲壓成正比而與聲波頻率無關,這主要是用于接收換能器的性能,與頻帶范圍有關�
3.頻帶寬度△f
對換能器而言時,是指換能器發(fā)送響應或接收靈敏度響應的曲線上低于響�3分貝時兩個頻率之�,稱為換能器的頻帶寬度△f�-3dB�,如圖所示:
在圖�,f0為響應時的頻�,而頻帶寬度則為:△f=f2-f1
換能器的頻帶寬度△f與換能器機械品質因素Qm和響應頻率f0(機械共振頻率)有關,他們三者的關系為:Qm=f0/△f
4.品質因素Q
這是對單自由度的機械或電學系�(tǒng)共振尖銳度或頻率選擇性的度量,有機械品質因素Qm和電學品質因素Qe兩類。特別要指出,機械品質因素Qm是換能器諧振特�、頻帶寬度或阻尼的一個量�,尤其是阻尼對換能器的工作狀�(tài)有非常密切的關系。Qm對換能器產生的波形和接收時的響應曲線等有著重要的影響。機械品質因素Qm的定義為�
Qm=ω0M/Rm=π/δ≈f0/△f
式中:�0-諧振時的角頻�,即ω=2πf0;f0-機械共振頻率;△f-頻帶寬度,它等于�1.6中的(f2-f1),這里的f1和f2分別是低于和高于f0的頻�,在該頻率處速度振幅將下降到它的極大值(諧振點)�1/�21/2�,即20lg1/�21/2�=3dB;M-振動系統(tǒng)的等效質�,這在通常是把換能器當作具有分布常�(shù)來進行測定�;Rm-換能器機械阻抗的力阻分量,它相當于換能器中的能量消�;�-這是一個作自由振動但有阻尼的換能器的對�(shù)減縮,它等于Rm/2f0M
對于Qm大的換能�,其頻帶寬度窄,在諧振頻率點上有較高的靈敏度,即諧振峰尖�,一個短促的電脈沖就能使高Qm值的�(fā)射換能器有一個較長持�(xù)時間的“振鈴”存在(就像敲鑼,擊一下就會響一�,然而在檢測技術應用中則不希望出現(xiàn)這種“振鈴”干擾),或�,在接收時會因“濾波”作用(即截止頻率范圍窄)而使輸出的電信號不能準確代表真實的寬頻帶超聲脈沖(同樣以敲鑼為例--擊一下馬上用手捂住鑼�,則鑼聲短促即止)。在實際應用�,需要施加到換能器上的發(fā)射電壓在理論上能在輻射表面上產生盡可能大的振幅位移(達到諧振狀�(tài)�,而在撤除此電壓后,換能器應能盡快地停�,即使得振幅回零(這樣就可以產生短促的聲脈沖)。在接收狀�(tài)�,則應使應力脈沖(聲脈沖)施加到理想的接收換能器上時不會產生“振鈴”現(xiàn)�,輸出的電信號才能真實地再現(xiàn)應力波的情況�
從上述這些要求來看,都希望換能器的Qm值較低為�。Qm值的大小除與換能元件本身的材料特性有關外,�??梢酝ㄟ^附加阻尼的方法來降低Qm�,而且,在Qm值較低時,換能器的頻率響應將趨于較平坦的曲線,獲得較好的分辨�,但也相應降低了靈敏度�
5.阻抗特�
在檢測系�(tǒng)�,換能器的作用可以等效于一個電路元�,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、組裝結構以及換能元件的材料特性等密切相關�
換能器的阻抗特性還應該能與儀器發(fā)射電路的電阻抗相匹配,才能達到諧振狀�(tài)--達到�(fā)射特��
6.指向性因�
在檢測技術中,一般都要求所使用的換能器有尖銳的指向�,就象使用聚光手電筒照明,這樣有利于集中發(fā)射能�,在接收時能獲得較高的信噪比,也有利于對檢測目標的定位評�。換能器的指向性與其輻射面尺寸、結�、工作頻率和傳聲介質特性等相關,通常可用指向性因素來反映換能器的指向性:
對于�(fā)射換能器,所謂指向性因素是指在�(fā)射聲束的主軸線聲壓(值方向)�,遠離發(fā)射換能器的某一定點處某頻率的均方聲壓與通過該點和換能器同心的球面上某點同一頻率的均方聲壓之��
對于接收換能器,則是指沿換能器主軸線傳來某頻率聲波所產生的電動勢平方值與頻率相同、方均根聲壓相同的擴散聲場所產生的電動勢平方值之��
指向性因素也可以用分貝(dB)表�,這是稱為指向性指�(shù),它等于指向性因素的常用對數(shù)�10。對于發(fā)射換能器,指向性指�(shù)也可稱作指向性增��
點聲換能器的指向性指�(shù)為:DI=10lgI/I0
式中:I-與聲源距離r的軸線上聲強;I0- I0 =W/4πr2,W=∫sIds,這里W是聲源向整個空間輻射的總功率�
7.噪音�
由于換能器的內阻、導線或負載上分子(或原子)的熱運動,即使在外來聲壓為零的情況下,換能器仍會有一定的電壓輸出,即為噪音電壓Un,其值與換能器靈敏度(響應)U無關。噪音電壓的值大小并不重要,重要的是它與換能器靈敏度的比�,通常采用相對噪音級表�,即�
Nn=20lgUn/U (dB�
顯然,噪音級的值應越小越好�
除了上述幾種主要性能外,在實際應用中反映換能器工作性能的因素還有動�(tài)范圍、有效帶寬、波束寬�、換能器損失�。例�,本在超聲檢測技術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,因為檢測用超聲波的聲強應小到不至引起傳聲介質的性質�(fā)生變�,同時又有足夠的強度使接收到的信號明顯大于噪音(因此大多采用脈沖�,其瞬時功率較大可以保證有足夠的信噪�,而平均功率較�,也使得換能器比較輕巧靈活便于使用)�
作為檢測用的換能�,由于是用作物理量的測量,故必須有較好的時間�(wěn)定性和溫度�(wěn)定性等�
在換能過程中,應盡可能保持波形不變(即波形畸變要盡可能地?。┎拍苷鎸嵎从硻z測對象的特征�
對換能器的振動方式有特殊要求,一邊能在傳聲介質中激�(fā)出所需要波型的超聲�,例如縱泀橫�、瑞利波、蘭姆波、爬波等��
此外,在檢測條件、對象及�(huán)境的需要下,對換能器也有相應的特殊要求,如用于高溫、低溫環(huán)�,水下檢測等��
為了滿足上述各種各樣的要�,就需要從換能器的材料、形狀、結構組成等方面加以考慮。因此,對材料而言,有諸如靈敏�、穩(wěn)定�、老化性等要求,要求機械品質因素低一�,以免頻帶寬度不足導致波形畸變等�。對換能器的形狀結構直至外殼材料與結�、保護設施等等,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�(huán)境等具體工作條件的要求�
總而言�,對換能器性能的要求是多種多樣�,因而換能器的形式和種類也是多種多樣的,而且還在不斷�(chuàng)新與�(fā)��
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