用于声纳系统的换能器材欧洲杯足球竞彩料 - 材料比较

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年代由于新型传感器驱动材料的出现，具有扩展功能的Onar系统正在出现。欧洲杯足球竞彩镍和压电陶瓷声纳的设计极限在25年前就开始达到。与此同时，海军武器实验室(NOL)，即现在的海军水面作战中心(NSWC)开始开发具有“巨”磁致伸缩特性的镧系元素金属合金。这些材料具有欧洲杯足球竞彩更强的声功率和其他性能，如更低的频率、更宽的带宽和更高的可靠性。

TERFENOL-D

从那时起，磁致伸缩的Terfenol-D已被商业开发为最适合推动最大声电源，相对低频设备的镧系元素，包括声纳。2020欧洲杯下注官网

Terfenol-d是镧系元素铽和镝与铁（Fe）结合的金属间合金，并作为近单晶商业生产。该名称将具有NOL的元素的符号组合在原点的设施中派生。这些材料通常提供给准备好组装到装置的制造商中，而无需进一步处理。

现有的设计数据使声学工程师能够从各种可能的声纳驱动材料中进行选择，以产生最能满足系统要求的设计。欧洲杯足球竞彩某些材料能方便地欧洲杯足球竞彩将电能和电磁能转换成其他形式的能量，如机械能。传导材料通常也表现出相反的欧洲杯足球竞彩效果:将入射的机械能转换成电磁能。虽然许多材料都能很好地欧洲杯足球竞彩充当传感器，但能将输入的电磁能量有效地转换成相当数量的机械输出能量的材料要少得多。

通过耦合合作比较材料欧洲杯足球竞彩的流动

比较各种转换材料的最直接方式是通过符号化k的参数欧洲杯足球竞彩²耦合系数的平方。k²测量转换为输出的入射能量的量。理解k的物理起源和意义²，考虑对电气变压器的相对众所周知的分析。K.²参数是两个变压器线圈之间相互耦合的量度。这里，由自电感L的线圈产生的磁通量L₁是由互感(以M表示)与穿过或连接第二个自感线圈L₂．对于任意两个线圈，M无论哪个线圈通电，都有相同的绝对值。通过一个能量参数k²定义为M₂/l₁l₂，表示能量耦合比的数量。它定义了入射电磁能量转换为机械输出能量的上限。除去不可避免的损失，其余的入射能量以电场或磁场的形式储存，两者都可以恢复。如果没有耦合，k²是零，热力学规定上限永远不能超过统一。

磁致伸缩材料的菌株趋于二次。欧洲杯足球竞彩也就是说，无论磁场极性如何，它们要么用越来越多的场（镍）或随着越来越多的场（Terfenol-D）扩展）。二次菌株也是称为PMN的晚模型陶瓷的特征，用于铅铌酸镁。（因为应变是二次的，PMN被正确地分类为电伸缩性而不是压电电压）。为了最大化围绕空点围绕空点的相等应变输出，用静电字段部分地扩展到所需的NULL的二次材料。欧洲杯足球竞彩

这就是所谓的偏见。由磁场耦合在两个线圈之间的交流能量。用同样的推导方法，可以证明M与物质固有性质d是等价的₃₃将旋转材料的条通过该杆通过轴向电磁场连接到轴向弹性场。D的单位₃₃是轴向应变(米/米)除以入射场强度(安培/米或伏特/米)。同样的,我₁等于轴向电介电常数ε₃₃^T或磁导率₃₃^T弹性应力t保持不变，而l₂等于轴向弹性柔度1/Y₃₃^X入射电磁场X是保持不变的。然后k²被定义为：

磁致伸缩

压电

下标33表示因果都是沿轴(3)方向测量的。

参数k²有时被称为能效，但它真的是静态场上叠加的电磁场，然后启用关于零的正负运动。常见的压电陶瓷PZT，不需要用于其范围的一部分的现场偏压，但输出可以通过偏置来最大化。如果机械压缩应力偏压（预应力）最大化，则Terfenol-D，PMN和PMN耦合更多的能量，具有相应的电磁场偏压。这是因为可以在不克服压力偏差的情况下容纳零周围的压力偏移。

为了方便，美国海军已经将非常新型的PZT-8和PMN数据与TERFENOL-D进行了比较。表中转载了这些数据。该表用相干的MKSA SI单位表示，允许直接比较所有的电、磁和机械量，而不需要乘法因数。作为历史背景和参考，a -镍是第二次世界大战海军声纳中使用的较好的镍磁致伸缩合金之一。

热性能来自制造商公布的数据。海军参考比较了受磁场和应力限制的机电能量密度。表中对这些值进行了比较。

Depoling

表中的性质并不表明PZT数据接近其长寿命应力极限。也就是说，PZT不会被进一步压缩以避免失去其性能。由于压电现象需要改变自然晶体的对称性，压电陶瓷的性能不断下降，因为它倾向于返回其自然状态，这一过程称为去极。过应力、过应变、过电压或过温的任何组合都会加速脱极。在制造商的表格中可以找到各种商用压电陶瓷的去极化率。假定海军在最大长期应力极限下操作它的PZT声纳投射器，以最大限度地提高每单位材料体积和每单位经济寿命的能量转换。

请注意，降级的PZT可以重新连接以恢复性能。出于实用性和便利性的考虑，通常在安装的设备中不这样做。2020欧洲杯下注官网排列(近单晶)TERFENOL-D的磁致伸缩是一种固有特性，不需要极化。

表1。形状变化材料性能的比较

定义

µ₀＝4πx10^－7伏特秒/安培表是自由空间的磁导率。

ε0＝c^－２µ0^－1安培秒/伏特是自由空间的介电常数。

C＝每秒299,792,456米是光速。

单位:A =安培;公斤=公斤;m =计;J =焦耳;K =开氏度;N =牛顿;s =秒;V =伏特;W =瓦特。

TERFENOL-D唯一已知的永久降解机制是熔化，这需要超过1200°C的温度，或机械冲击。如果没有熔化，冷却可以恢复全部性能。破坏极限通常由施加振荡磁场的电磁线圈的热极限决定。

overs火车

TERFENOL-D不能过度使用。商用TERFENOL-D声纳制造商声称，数千万次循环没有可测量的变化。据报道，海军原型TERFENOL-D驱动的投影仪已经运行超过1亿次，没有出现故障。

当过应力时，TERFENOL-D输出仅仅低于设计值。因此，预应力可以增加到表列值之外，最大限度地提高设备的能量密度。磁致伸缩很明显，接近70 MPa的预应力，超过这一水平的试验数据有限。压电陶瓷的极限拉应力接近TERFENOL-D，这意味着这两种材料在机械冲击灵敏度方面都没有优势。

电导率和涡流

TERFENOL-D的导电性与它所转换的不断变化的磁场相结合，产生了涡流，这在陶瓷中是没有考虑的。通过分层，TERFENOL-D中涡流的影响被最小化。该材料被切成平行于其圆柱轴的薄片(即平行于其应变轴，而压电陶瓷被切成垂直于其应变轴的薄片)，然后与绝缘环氧树脂粘接。最近，线锯技术被引入生产中，使材料损耗和成本降到最低。应该注意的是，磁路的所有部分都必须设计为涡流控制。

电压灵敏度

TERFENOL-D对电压不敏感。对于在合理电压范围内工作的压电陶瓷器件，单个元件的长度是有限的。PZT要求均方根电场强度约为每毫米厚度390伏。(PMN甚至更高。)高电压会缩短寿命。从PZT中提取电势需要有限的单个元件厚度，这取决于电气安全性和实用性，包括防止电晕放电。位移是通过将被电介质材料隔开的单个碎片堆叠而获得的。堆叠和布线薄晶圆会造成制造和可靠性问题。用于粘合硅片的环氧树脂的顺应性吸收了可测量的输出。

压电陶瓷电极是由银和钯等相对珍贵的材料制成的。欧洲杯足球竞彩不均匀的电场分布导致应力集中，在电极端部附近产生微裂纹和不活动区域。电极材料向陶瓷的迁移可能加剧电压应力和微裂纹。

允许

另一方面，压电陶瓷相对于自由空间表现出更高的相对介电常数，而TERFENOL-D相对于自由空间的相对渗透率要高得多。与保证磁场均匀性的任务相比，这简化了保证电场均匀性的任务。

谐振频率

成功设计一个机电换能器需要仔细注意动态系统的行为在不同的频率和经常在共振。采用一个简化的集总参数法，无阻尼谐振频率ƒ_n由变形材料制成的弹性杆驱动质量的近似公式为刚度的平方根除以其均匀分布质量的三分之一加上驱动质量。一个在共振时被激发的无阻尼系统会在没有其他地方可去的情况下向其添加能量时自毁。在现实世界中，总是存在阻尼，因为所有的换能器材料都是不可逆的。欧洲杯足球竞彩每种材料都包含不同的阻尼机制，最终将运动转化为热，并将理论无阻尼共振的频率降低到实际阻尼共振的频率。此外，陶瓷本身是热的不良导体。热积聚会降低性能，在某些情况下是永久的。

作为横的因素

这些动态行为可以通过Q概述，一个称为质量因子的参数。机械的问是由阻尼电阻除以阻尼电阻的质量抗抗性的数值，或者等效地是刚度抗度除以阻尼电阻。质量乘以圆形频率称为质量电抗，并假设与电阻相同的单元，即每单位速度的力。类似地，弹簧刚度除以圆形频率被称为刚度抗度。没有损失的材料将有一个无限的Q。

对Q的简化讨论，说明了它在纯机械动态系统中的意义。对于纯电动力系统，也有一个等效的论点。然而，在换能器材料中，特别是那些机电k值较高的材料欧洲杯足球竞彩₂耦合比，换能器不能从纯电气或纯机械的角度来看。也就是说，当动态运行时，机械负载的影响以阻抗变化的形式在电气方面表现得很明显，反之亦然。将这些效应分开是一个常见的误解，因此很难理解换能器的动态行为。因此，在设计过程中，必须将电功率放大器的输出阶段和负载动态考虑为一个完整的动态系统。

未来发展潜力

压电陶瓷获得了长期的发展资助和聪明才智达到其近似的最大潜力，如表1所示。相比之下，Terfenol-D的标称性质与成熟陶瓷易比较并超过其发展潜力。创新的Terfenol-D传感器设计仍然是新兴的，材料的全部潜力尚未充分利用商业设计。

自从最初发现镧系磁致伸缩，改进的TERFENOL-D材料、设计数据和模型已经为声纳和其他声学设备的设计者提供了可用的。欧洲杯足球竞彩产量的增加和对改进制造方法的投资使TERFENOL-D的生产成本迅速下降。

了解每种材料的相对强度将有助于工程设计师为给定的应用做出最佳选择。

主要作者:Charles B. Bright