電聲轉換器

電聲轉換器是把聲能轉換成電能或電能轉換成聲能的器件，電聲工程中的傳聲器、揚聲器和耳機是最典型的電能、聲能之間相互變換的器些器件統稱為電聲轉換器，亦稱電聲換能器。

基本介紹

• 中文名：電聲轉換器
• 外文名：electroacoustic transducer
• 別名：電聲換能器
• 套用範圍：次聲、可聽聲、超聲換能器

分類

廣義的電聲套用的頻率範圍很寬，包括次聲、可聽聲、超聲換能器。屬於可聽聲頻率範圍內的電聲換能器有傳聲器、揚聲器、送受話器、助聽器等等。按照換能方式，它們又可以分成電動式、靜電式、壓電式、電磁式、碳粒式、離子式和調製氣流式等。其中後三種是不可逆的，碳粒式只能把聲能變成電能，離子式和調製氣流式的只能產生聲能。而其他類型換能器則是可逆的。即可用作聲接收器接也可用作聲發射器。

系統組成

各種電聲換能器，儘管其類型、功用或工作狀態不同，它們都包含兩個基本組成部分，即電系統和機械振動系統。在換能器內部，電系統和機械振動系統之間通過某種物理效應相互聯繫，以完成能量的轉換；在其外部，換能器的電系統與信號發生器的輸出迴路，或前級放大器的輸入迴路相匹配；而換能器的機械振動系統，以其振動表面與聲場相匹配。

電聲換能器它包括三個互相聯繫的子系統。
1.以輻射或接受聲波的振動板為中心的機械一聲系統。
2.起電一聲兩種能量之間相互變換作用的能量變換系統。
3.擔任電信號輸入、輸出的電學系統。

這三個子系統的複合系統之間的能量關係是非常複雜的，是互相聯繫密不可分的。這三種體系是互相牽制的，處理得不好往往會顧此失彼。例如，一個有效的磁系統可能會非常笨重，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值，可能根本不能與周圍媒質或附屬設備相匹配。由此可見，電聲換能器的設計總是在許多相互矛盾的因素中採取折衷的辦法。

主要性能

換能器的工作頻率

換能器工作頻率的設計依據涉及傳聲媒質對超音波能量衰減的因素、檢測目標（如缺陷）對超音波的反射反射反射反射特性、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、工作原理的套用範圍與限制條件、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，發射換能器在其諧振基頻上工作時可獲得最佳的工作狀態，即能獲得最大的電聲轉換效率和發射聲功率。同樣，在此條件下，作為接收換能器也能獲得最佳的頻率回響和接收靈敏度。

換能器回響

這是指換能器（或整個儀器系統）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（又稱接收電壓回響，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於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）。

這裡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生器上或附近的一點，從遠處觀察時似乎聲波是從該點發出的球面發散聲波，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，指定方向和輸出端。

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（或稱開路回響）。
就所用單位而言，“伏特/微巴”意味著作用在換能器上的聲壓為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到1伏特的電壓，顯然此值越大，則接收靈敏度越高，因為換句話來說，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）
這是以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以10為底的對數並乘以20，從而得到用分貝表示的自由場電壓靈敏度。

2接收電流電流電流電流靈敏度（接收電流回響，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於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（聲壓回響）
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）。注意該參數與1是不同的。

4傳送電壓靈敏度（傳送電壓回響）
這是用於發射換能器的性能，它指在某頻率下，在指定方向上，離開發射換能器有效聲中心1米處的表觀聲壓與施加在發射換能器輸入端上的信號電壓之比，單位為帕/伏特（Pa/V），故此參數和1相反。

5傳送電流靈敏度（傳送電流回響）
這也是用於發射換能器的，它指在某頻率下，在指定方向上，離開發射換能器有效聲中心1米處的表觀聲壓與施加在發射換能器輸入端上的信號電流之比，單位為帕/安培（Pa/A）。

6傳送功率回響
在指定方向上離開發射換能器有效聲中心1米處的表觀均方聲壓與發射換能器輸入功率之比，單位為平方帕（Pa2）。

7傳送效率
發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率。注意此參數與換能效率密切相關。

8頻率回響
理想換能器的頻率回響特性要求輸出電壓與聲壓成正比而與聲波頻率無關，這主要是用於接收換能器的性能，與頻帶範圍有關。

頻頻寬度f

對換能器而言時，是指換能器傳送回響或接收靈敏度回響的曲線上低於最大回響3分貝時兩個頻率之差，稱為換能器的頻頻寬度△f（-3dB），f0為最大回響時的頻率，而頻頻寬度則為：△f=f2-f1 換能器的頻頻寬度△f與換能器機械品質因素Qm和最大回響頻率f0（機械共振頻率）有關，他們三者的關係為：Qm=f0/△f

品質因素Q：這是對單自由度的機械或電學系統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是換能器諧振特性、頻頻寬度或阻尼的一個量度，尤其是阻尼對換能器的工作狀態有非常密切的關係。Qm對換能器產生的波形和接收時的回響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：ω0-諧振時的角頻率，即ω=2πf0；f0-機械共振頻率；△f-頻頻寬度，它等於（f2-f1），這裡的f1和f2分別是低於和高於f0的頻率，在該頻率處速度振幅將下降到它的極大值（諧振點）的1/（21/2），即20lg1/（21/2）=3dB；M-振動系統的等效質量，這在通常是把換能器當作具有分布常數來進行測定的；Rm-換能器機械阻抗的力阻分量，它相當於換能器中的能量消耗；δ-這是一個作自由振動但有阻尼的換能器的對數減縮，它等於Rm/2f0M。

對於Qm大的換能器，其頻頻寬度窄，在諧振頻率點上有較高的靈敏度，即諧振峰尖銳，一個短促的電脈衝就能使高Qm值的發射換能器有一個較長持續時間的“振鈴”存在（就像敲鑼，擊一下就會響一陣，然而在檢測技術套用中則不希望出現這種“振鈴”干擾），或者，在接收時會因“濾波”作用（即截止頻率範圍窄）而使輸出的電信號不能準確代表真實的寬頻帶超聲脈衝（同樣以敲鑼為例--擊一下馬上用手捂住鑼面，則鑼聲短促即止）。在實際套用中，需要施加到換能器上的發射電壓在理論上能在輻射表面上產生儘可能大的振幅位移（達到諧振狀態），而在撤除此電壓後，換能器應能儘快地停振，即使得振幅回零（這樣就可以產生短促的聲脈衝）。在接收狀態下，則應使應力脈衝（聲脈衝）施加到理想的接收換能器上時不會產生“振鈴”現象，輸出的電信號才能真實地再現應力波的情況。

換能器的Qm值較低為好。Qm值的大小除與換能元件本身的材料特性有關外，通常可以通過附加阻尼的方法來降低Qm值，而且，在Qm值較低時，換能器的頻率回響將趨於較平坦的曲線，獲得較好的，但也相應降低了靈敏度。

阻抗特性

在檢測系統中，換能器的作用可以等效於一個電路元件，可以利用電路迴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射電路的抗相匹配，才能達到最佳諧振狀態--達到最佳發射特性。

指向性因素

在檢測技術中，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手電筒手電筒手電筒照明，這樣有利於集中發射能量，在接收時能獲得較高的信噪比，也有利於對檢測目標的定位評定。換能器的指向性與其輻射面尺寸、結構、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：

對於發射換能器，所謂指向性因素是指在發射聲束的主軸線聲壓（最大值方向）上，遠離發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比。

對於接收換能器，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比。

指向性因素也可以用分貝（dB）表示，這是稱為指向性指數，它等於指向性因素的常用對數乘10。對於發射換能器，指向性指數也可稱作指向性增益。

點聲換能器的指向性指數為：DI=10lgI/I0 式中：I-與聲源距離r的軸線上聲強；I0- I0 =W/4πr2，W=∫SIDS，這裡W是聲源向整個空間輻射的總功率。

噪音級

由於換能器的內阻、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（回響）U無關。噪音電壓的絕對值大小並不重要，重要的是它與換能器靈敏度的比值，通常採用相對噪音級表示，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，在實際套用中反映換能器工作性能的因素還有動態範圍、有效頻寬、波束寬度、換能器損失等。例如，本專業在超聲檢測技術中對所用的超聲換能器有其特定的要求，包括以下：

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，因為檢測用超音波的聲強應小到不至引起傳聲介質的性質發生變化，同時又有足夠的強度使接收到的信號明顯大於噪音（因此大多採用脈衝波，其瞬時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於使用）；

作為檢測用的換能器，由於是用作物理量的測量，故必須有較好的時間穩定性和溫度穩定性等；

在換能過程中，應儘可能保持波形不變（即波形畸變要儘可能地小）才能真實反映檢測對象的特徵； 對換能器的振動方式有特殊要求，一邊能在傳聲介質中激發出所需要波型的超音波，例如縱波、橫波、瑞利波、蘭姆波、爬波等等；

此外，在檢測條件、對象及環境的需要下，對換能器也有相應的特殊要求，如用於高溫、低溫環境，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、結構組成等方面加以考慮。因此，對材料而言，有諸如靈敏度、穩定性、老化性等要求，要求機械品質因素低一些，以免頻頻寬度不足導致波形畸變等等。對換能器的形狀結構直至外殼外殼外殼外殼材料與結構、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環境等具體工作條件的要求。

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，而且還在不斷創新與發展。