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。

 

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。

　　1.以辐射或接受声波的振动板为中心的机械一声系统。

　　2.起电一声两种能量之间相互变换作用的能量变换系统。

　　3.担任电信号输入、 输出的电学系统。

　　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。

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的工作状态，即能获得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。在给出换能器自由场电压灵敏度时，一般还应同时指明参考点，指定方向和输出端。

　　若是接收换能器输出端阻抗无限大时，则此时的接收电压灵敏度就称为开路灵敏度（或称开路响应）。

　　就所用单位而言，“伏特/微巴”意味着作用在换能器上的声压为1微巴（1μbar=0.1N/m2=1达因/厘米2）时在换能器输出端负载上可得到1伏特的电压，显然此值越大，则接收灵敏度越高，因为换句话来说，就是一定的声压作用能得到较大的开路电压。

　　在用分贝（dB）表示时：△dB=20lgM0（V/μbar）/1（V/μbar）

　　这是以1V/μbar为零分贝（参考点灵敏度），将观测到的灵敏度除以参考点灵敏度所得到的商再取以10为底的对数并乘以20，从而得到用分贝表示的自由场电压灵敏度。

　　[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。机械品质因素Qm的定义为：

　　Qm=ω0M/Rm=π/δ≈f0/△f

　　式中：ω0-谐振时的角频率，即ω=2πf0；f0-机械共振频率；△f-频带宽度，它等于图1.6中的（f2-f1），这里的f1和f2分别是低于和高于f0的频率，在该频率处速度振幅将下降到它的极大值（谐振点）的1/（21/2），即20lg1/（21/2）=3dB；M-振动系统的等效质量，这在通常是把换能器当作具有分布常数来进行测定的；Rm-换能器机械阻抗的力阻分量，它相当于换能器中的能量消耗；δ-这是一个作自由振动但有阻尼的换能器的对数减缩，它等于Rm/2f0M

　　对于Qm大的换能器，其频带宽度窄，在谐振频率点上有较高的灵敏度，即谐振峰尖锐，一个短促的电脉冲就能使高Qm值的发射换能器有一个较长持续时间的“振铃”存在（就像敲锣，击一下就会响一阵，然而在检测技术应用中则不希望出现这种“振铃”干扰），或者，在接收时会因“滤波”作用（即截止频率范围窄）而使输出的电信号不能准确代表真实的宽频带超声脉冲（同样以敲锣为例--击一下马上用手捂住锣面，则锣声短促即止）。在实际应用中，需要施加到换能器上的发射电压在理论上能在辐射表面上产生尽可能大的振幅位移（达到谐振状态），而在撤除此电压后，换能器应能尽快地停振，即使得振幅回零（这样就可以产生短促的声脉冲）。在接收状态下，则应使应力脉冲（声脉冲）施加到理想的接收换能器上时不会产生“振铃”现象，输出的电信号才能真实地再现应力波的情况。

　　从上述这些要求来看，都希望换能器的Qm值较低为好。Qm值的大小除与换能元件本身的材料特性有关外，通常可以通过附加阻尼的方法来降低Qm值，而且，在Qm值较低时，换能器的频率响应将趋于较平坦的曲线，获得较好的分辨率，但也相应降低了灵敏度。

　　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，才能达到谐振状态--达到发射特性。

　　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。换能器的指向性与其辐射面尺寸、结构、工作频率和传声介质特性等相关，通常可用指向性因素来反映换能器的指向性：

　　对于发射换能器，所谓指向性因素是指在发射声束的主轴线声压（值方向）上，远离发射换能器的某一定点处某频率的均方声压与通过该点和换能器同心的球面上某点同一频率的均方声压之比。

　　对于接收换能器，则是指沿换能器主轴线传来某频率声波所产生的电动势平方值与频率相同、方均根声压相同的扩散声场所产生的电动势平方值之比。

　　指向性因素也可以用分贝（dB）表示，这是称为指向性指数，它等于指向性因素的常用对数乘10。对于发射换能器，指向性指数也可称作指向性增益。

　　点声换能器的指向性指数为：DI=10lgI/I0

　　式中：I-与声源距离r的轴线上声强；I0- I0 =W/4πr2，W=∫sIds，这里W是声源向整个空间辐射的总功率。

　　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。噪音电压的值大小并不重要，重要的是它与换能器灵敏度的比值，通常采用相对噪音级表示，即：

　　Nn=20lgUn/U （dB）

　　显然，噪音级的值应越小越好。

　　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。