第2章水声换能器.doc

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
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。
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。
二级：
在使用的频率范围内，其水平指向性图与理想的全指向性图的偏差应小于±2dB。
动态范围
一级：
在60dB的动态范围内，非线性偏差应小于±0.2dB。
二级：
在60dB的动态范围内，非线性偏差应小于±0.5dB。
稳定性
时间稳定性：
每年校准一次，其变化应在校准准确度以内。
温度稳定性：
在0~400C温度范围内，灵敏度变化应小于0.04 dB/ 0C。
在0~400C温度范围内，灵敏度变化应小于0.05 dB/ 0C。
静压稳定性：
0~4MPa工作静压范围内，灵敏度变化应小于0.3 dB/MPa。
0~4MPa工作静压范围内，灵敏度变化应小于0.4 dB/MPa
其他技术要求
机械性能要求：
•水听器暴露于水中的所有金属和非金属部件都要采用耐腐蚀材料制作。
•水听器的参考声中心位置及测量方向要有明显标志。
•水听器相对于它的周围媒质应是声学刚性的。
电学性能要求：
•对于不带前放的水听器，在电缆端测得的绝缘电阻应大于100MΩ（测试电压不小于100V）。
•高阻抗的敏感元件应有电屏蔽。
•连接电缆应不少于10m，当敏感元件的电容量小于连接电缆的电容量时一般应连接前置放大器。
（5）使用与维护：
①合理选择水听器.
②标准水听器每年应经计量部门检定一次。
③检查水听器的绝缘电阻时，试验电压不小于100v。
④注意存放环境，用完后妥善保管。
⑤选用低分布电容电缆。
2.水声发射换能器
（1）分类
同水听器。
（2）发射器介绍
（3）参数：
① 发射换能器发送响应
② 发射换能器指向性
③ 发射换能器电阻抗
④ 输入电功率、发射声功率和电声效率
①发射换能器发送响应：发送电压响应 发送电流响应
发送功率响应
发射换能器在某指定方向上的自由场远场中离其声中心某参考距离处的声压和该参考距离的乘积与加到输入电端的电压的比值。
②发射换能器的指向性
发射指向性图是表示它在自由场中辐射声波时，在其远场中声能空间分布的图象。
发射指向性因数和发射指向性指数
在参考方向上（通常指声轴向）远场中某点的声强（或声压有效值平方）与相同距离上各方向的声强平均值（或声压有效值平方的平均值）之比为发射指向性因数，此比值的分贝数称为发射指向性指数。
输入电功率、发射声功率和电声效率
输入电功率 是其功率源吸收的有用功率。
发射声功率 是其在单位时间内向介质声场发射出的有效声能量。
电声效率 是其输出声功率与输入总电功率的比值。
换能器的电声效率实际上也等于其机电效率与机声效率的乘积。

3.实验
目的 原理 方法 数据处理
（1）换能器阻抗特性
（2）换能器阻抗特性曲线测量原理

（3）测量结果及分析
半功率带宽 机械品质因数