电声换能器

[拼音]：diansheng huannengqi

[外文]：electroacoustic transducer

使电能和声能互相转换的装置，是一种应用最广泛的声学换能器。在19世纪中期随电话的问世而出现，到第一次世界大战时期，以法国著名物理学家P.朗之万为代表，水声和超声等领域的换能器也迅速发展起来。到目前为止，用得比较成熟的可逆电声换能器的基本转换机理有:电动、电磁、磁致伸缩、静电、压电等类型;不可逆的基本转换机理有：可变电阻、调制流体等类型。

电动式

当导线在声波作用下发生振动，并在磁场中切割磁力线时，在导线中产生电动势；反之，当电流通过磁场中的导线时，导线受到垂直于导体和磁场方向的力，这就是电动式接收和发射换能器设计的基本原理。因导线常卷成圈与振动膜片相联，故又名动圈式。其效率与尺寸、波长比有关：对典型的小锥体扬声器，效率不高，约1％左右，但频带很宽；带大喇叭的效率可高达25％～50％。在磁隙中充以铁磁流体，利用铁磁流体较好的导热、润滑性及粘度可调等性质，可提高功率、增大频宽、改善音圈碰擦等问题。应用超导技术，可大大提高电动式换能器的效率和功率。

电磁脉冲声源是电动式的一种变形。当强脉冲电流流过固定在树脂中的线圈时，产生很强的瞬变磁场，此磁场使邻近金属板（如铝板）中感应出很强的涡流电流，涡流所产生的磁场与线圈磁场相互作用，产生很大的洛伦兹推力，使金属板向外运动，产生声脉冲。其声能谱主要在几百到几千赫。因频率太低，磁场会透过金属板；频率太高，透入金属板的磁场太小；两者都使推力变小。小型的频率高达兆赫级的小功率超声电磁脉冲声源也很实用。这是只能作脉冲声源的不可逆换能器。

电磁式

是与电动式同时发展起来的，结构上与电动式不同之处是线圈固定不动，而磁路中的铁磁性（软铁或恒磁体）膜片振动，从而使间隙处磁阻改变，故又名动铁或可变磁阻式。在固定线圈中感生的电动势是由于通过线圈的磁通量的变化所产生。设计上的主要目标是要在非线性最小的情况下，得到最大的灵敏度，要考虑最佳的工作磁极化（偏磁），交流和直流磁路的分离，磁路中空气间隙，磁合金材料的选择，从结构上减少漏磁，减少非线性磁效应的产生等。它常具有比电动式便宜、坚实等优点。

磁致伸缩式

有些铁磁性物质有较大的磁致伸缩效应。它在磁场作用下，沿磁场方向产生的与磁场强度二次方成线性关系的纵向应变，称为正磁致伸缩效应或焦耳效应，应变的符号随材料而异；反之，当极化磁棒发生纵向应变时，其内部磁场强度发生变化，称为逆磁致伸缩效应或维拉里效应；当发生扭转时，两端产生瞬态电压，叫维尔泰姆效应；当通过电流时产生扭转，叫维德曼效应。由于磁致伸缩效应与铁磁材料内的磁畴变形有关，可产生很大的应力。为了使磁致伸缩应变与所加的交流磁场强度成线性关系，与电磁式相仿，需加一大的偏磁场(磁极化)，此时，也可与压电效应相类比，称为压磁效应。常用的磁致伸缩材料有镍及其合金、铝铁合金、镍锌铁氧体等。1971年发现稀土铁材料如Tb_0.3Dy_0.7Fe₂，在室温时有很大的磁致伸缩效应，其机电耦合系数高达约0.55，同时有低声速，约 2300m/s的特性，已设计成低频使用的磁致伸缩水声换能器。磁致伸缩换能器一般都有低电阻抗、坚实、可靠和固体或液体的声阻抗易匹配等优点，但通常效率不够高。用尺寸很小的铁磁颗粒，典型尺寸100┱，使之稳定地悬浮于适当液体中，颗粒密度约为10¹⁷cm^-3，成为铁磁流体材料，用它代替磁致伸缩材料，可做成有很小磁滞效应的铁磁流体换能器。

静电式

为带电电容板的相对运动，所以又称电容式。在结构上，一般是由振动膜片和固定的金属后极板形成两极板，其间有很小的间隙，由加直流电压或用驻极体材料(膜本身是驻极体或者喷涂驻极体于后极板上)，使极板上带电荷，用驻极体的又称驻极体式。静电式可以在较宽的频带内获得平坦的、高的电输出，但发送效率低，除了在超声频时，一般只作接收器。

压电式

利用压电性进行电声互相转换的装置。压电性（压电效应）是1880年P.居里兄弟首先发现的。在某些晶体（如石英、罗谢耳盐和电气石等）的特定方向上受压时，就会在其表面上产生电荷，电荷密度与外应力成正比，压力去掉，电荷也随之消失，这称为正压电效应，这是由于晶体在机械力的作用下发生应变，引起了正、负电荷的重心发生不对称的相对位移，从而使得晶体的总电矩发生改变，晶体表面出现荷电现象。同年，又发现了逆压电效应，即这些晶体在电场作用下，内部电畴转动，点阵变形产生应变，这种压电应变与所加电场强度成正比，当外加交变电场时，晶体就产生相同频率的振动。压电效应可用压电方程组来描述，根据选择的不同独立变量，有四种表达形式的压电方程组。

有压电性的材料很多，自然界中32种点群的晶体中，有20种点群的晶体可能具有压电性，具有极轴（正负电荷没有对称中心的方向）的晶体才有压电性。后来发现，有些液晶也有压电性。在声学换能器中常用的压电材料有:石英、罗谢耳盐（酒石酸钾钠）、ADP(磷酸二氢铵)、硫酸锂、 镓酸锂、铌酸锂、锆钛酸铅(PZT)、钛酸铅、铌酸盐等系列的压电陶瓷（又称多晶体）；氧化锌和硫化镉等压电半导体薄膜，常用于高频换能器；聚偏氟乙烯（PVF₂或PVDF）压电高聚物薄膜，它具有柔顺、耐冲击、阻抗与生物软组织或水的声阻抗相匹配的特性，70年代以来已大量应用于电声和超声换能器上；复合压电材料，例如压电陶瓷与高分子聚合物的复合，是利用压电陶瓷骨架在复合体中不同的联接方式，可以改善材料的压电性、弹性和介电性等特性；改善玻璃陶瓷压电性的晶粒取向技术也已获得较大进展。压电材料的机电转换的能力一般用机电耦合系数k来表示。

压电换能器

在水声、超声中应用非常广泛，它不但可以有高的有效机电耦合系数，而且能较方便地达到与液体、固体媒质的阻抗匹配。当加一交流电场，就引起压电材料以相同频率的机械振动，推动周围媒质，形成媒质中的声波，这就是压电发射器；相反的过程为压电接收器。

电致伸缩式

一般的介电材料都有电致伸缩效应，但很小。与磁致伸缩相仿的是，所产生的应变正比于电场强度的二次方；不同的是，电致伸缩应变总是正的，而磁致伸缩应变可正可负。近年来发现，有些铁电材料在铁电相与顺电相的过渡相变区域，具有大的电致伸缩效应，它几乎没有老化和滞后的效应，已成功地应用于微位移器上。

可变电阻式

主要有碳粒传声器和应变片接收器，声波调制了碳粒团或应变片的电阻值，从而调制了直流电流。碳粒传声器有便宜、简单和高灵敏度等优点，缺点是电噪声和非线性都大。应变片接收器的灵敏度低，所以只用来测量大的声压，而且要考虑滞后和非线性效应。

半导体式

在很靠近半导体的PN结处，当有压力作用时，流过结的电流会有显著变化，它的灵敏度比纯粹由电阻变化引起的要大几个量级，用此现象做成的换能器叫压－结换能器。在原理上，它能做宽带、高灵敏度、低阻抗的接收器，但在技术上如何使施压位置在靠近PN结几微米处，以及免受环境温度的影响，都需很好解决。利用半导体材料中所形成的高阻层的压电效应，也可做高频发射器，但由于性能不如半导体压电薄膜优良，已很少使用。

调制流体式

用阀门将高静压流体转换成交变机械力或脉冲力，推动振动面而发声。当阀门是电动或压电式的机电换能器时，就可当作大功率扬声器或大功率水声换能器（也称为流体动力式换能器），常作为低频大功率声源。当用电磁阀控制，快速释放高压气体，形成大的气泡脉动，作低频大功率地震勘探声源时，又名气枪。不同体积的气枪经适当排阵后，可抑制气泡的二次脉动声波。

换能器的声阻抗匹配

应用于不同媒质中的换能器，其结构上往往有很大差别，如所用的振动方式不同，对气体常用弯曲振动，对固体常用纵向振动，对液体常用弯曲和纵向的，或它们的复合振动。为使阻抗匹配得更好，换能器往往带有阻抗转换器，如变幅杆、匹配层等等。换能器的电、声阻抗匹配在换能器设计中占很重要的地位。

其他种类的声学换能器

除电声换能器外，近年来，光纤声传感器和光声源发展很快。光纤声传感器主要分为相位干涉式和强度调制式两类。相应干涉式的基本原理是利用光纤材料的光弹效应，当声波作用于光纤时，使光纤的长度或横向尺寸发生应变，同时使光纤材料的折射率发生变化，从而声波调制了单模光纤中传输的单模光的相位，利用干涉仪技术，就可高灵敏度地检测声信号。如利用高双折射光纤，则声接收的稳定性提高。强度调制式有时可使用多模光纤，声波调制其中光强，如利用光纤的微弯曲或光偏振面的旋转或光通过可移动的光栅等方法，经光电检测器，解调后测量声信号。光纤很易排成各种基阵，形成指向性，其最大的优点是不怕强电磁干扰和利用光的多路传输。光声源是利用光在媒质中或媒质表面被吸收而产生热，再由热致发声，它可以产生高达10¹¹Hz的特超声，也可在水声中作高强度或高指向性声源。

声换能器种类繁多，如笛、哨、铃等机声换能器，由电变热再变声能的电火花脉冲声源等。声接收器也很多，如利用经典电化学的动电学原理的动电式声接收器。动物的听觉器官──耳，就是十分精巧的声接收器。

参考书目

1. I.D.Groves，Jr.，Acoustic Transducers，HutchinsonRoss，Stroudsburg， 1981.
2. M.L.Gayford，Electroαcoustics，Butterworth，London，1970.