声源级、接收电压灵敏度(接收带内响应)

1、 声源级(发射)

• 定义：声轴上距声源1米处产生的声强相对于参考声强的分贝数。是声纳方程中定量描述声源辐
  射能力的项，用SL表示。
• 计算公式：
  
  SL=Sv+20lgV S L = S v + 20 lg ⁡ V
  
  

  • 参数解释： Sv是发送电压响应，通过查找换能器发射曲线得到，是基础。V为发送电压，20lgV是增量。

  
  

2、 接收电压灵敏度( 接收灵敏度)

• 定义：换能器输出端的开路电压e与换能器处自由场声压P的比值，单位是V/Pa。

• 计算公式：
  

  M=eP M = e P
  
  参数解释：

  • 即灵敏度越大，相同声压可产生更大电压。
  • 接收灵敏度分为电压灵敏度和电流灵敏度，分别反映输出端的电压电流大小，通常都用电压作为衡量指标。
  • 对应的，发送有发送电压响应和发送电流响应，通常也是用电压作为指标，反映了单位电压能产生声压大小。

  3、灵敏度级

• 定义：通常用灵敏度级表示接收电压灵敏度的大小，单位为dB。

• 计算公式：

  ML=20lgMM0(M0=106V/Pa或者M0=1V/μPa) M L = 20 lg ⁡ M M 0 ( M 0 = 10 6 V / P a 或 者 M 0 = 1 V / μ P a )

  • 参数解释： 即灵敏度越大，相同声压可产生更大电压.

• 举例：接收换能器处的声压是1Pa，即120dB(1Pa的声压对应120dB的声压级)，如果换能器的接收灵敏度级：

  ML=−180dB M L = − 180 d B
  则输出端开路电压为e=0.001V。接收灵敏度达到-180dB已经很好了，通常标准水听器都是小于-200dB的。

  • 注意：接收灵敏度分为电压灵敏度和电流灵敏度，分别反映输出端的电压电流大小，通常都用电压作为衡量指标。对应的，发送有发送电压响应和发送电流响应，通常也是用电压作为指标，反映了单位电压能产生声压大小。

4、换能器接收灵敏度的高低对接收信号的质量有何影响？

• 假设： A换能器的接收灵敏度是-180dB B换能器的接收灵敏度是-190dB 接收端处的信号声源级时120dB 接收端电路放大1000倍（60dB）

• 则有： A换能器输出的模拟电压是1.00mVrms，电路输出1.00V B换能器输出的模拟电压是0.32mVrms，电路输出0.32V。假设电噪声0.01V（与换能器无关），即A输出电压比B高10dB（约3.1倍） A的信噪比40dB，B的信噪比30dB。 如果用相同的ADC进行采样，灵敏度低的换能器可能不能充分利用ADC的动态范围。如果用AGC将B的信号多放大10dB，即也放大到1V（同A一样大），但电噪声对B而言几乎不变，但由于陶瓷自身振动产生的噪声会同等增加10dB。

  • 结论：同样电路情况下，低信噪比的换能器信噪比会低一些，但可通过改变放大倍数弥补，信噪比不会丢失很多。因为那些-200多灵敏度的水听器经过放大后一样能接收到较好的信号。（所以可以不用多纠结于换能器灵敏度是-180还是-190，倒是灵敏度的带内起伏比较重要，影响接收信号幅度，而这个是没办法通过模拟放大器和滤波器调节的。）

  

  • 该换能器的接收还比较好，发射不太好。

5、接收灵敏度和发送响应的平衡是什么，多大灵敏度对多小的信号算的上“灵敏”，保证信号可以接收到 ？

假设：

• 发射186dB
• 接收换能器灵敏度-180dB（已经算比较好的了）
• 10k信号吸收损失1dB/km
• 20k信号吸收损失3.6dB/km

距离	1千米	10千米
信号频率	10k	10k
传播损失	61dB	90dB
接收声压级	125dB	96dB
换能器输出电压	1.7mV	0.063mV

• 同样电路情况目前我们接触到的7-15k换能器，发送响应都是135dB±5dB，接收灵敏度-185±5dB。
• 经过之前的水池实验看，＜50mV的信号，带通滤波后的信噪比大概只有10~15dB。也可能是我们的电路设计比较次，噪声太大。噪声幅值达到50~100mV。
• 通常我们自己做的AGC调节范围大概是40dB，也就是放大倍率范围是100~10000。ADC最佳采样范围是其参考电压的1/3~2/3，所以接收信号经过放大后应该达到0.85V~1.9V，则放大前最小应该是0.085mV，差不多就是186dB源级的声源在10km处。

6、水声换能器的电声转换效率

• 
  
• 结论：预应力和水压构成换能器的声负载，负载合适的时候，换能器的可振动幅度大，机械能转化更多，效率会高一些。但实际使用，在不同深度时，声负载不是处于最佳状态，加上宽带匹配效果不好，效率往往不会很高，没找到可以衡量的经验公式。
  

• 文献：
• 中科院的林仲茂做过效率97%的纵振夹心式换能器（谐振时，声负载良好时），可能是非常理想情况下了。
• 浙江师范的几个人研究了圆管换能器，根据预应力的不同，电声效率40%~70%。

7、决定换能器工作水深的关键

• 关键
• 关键主要是预应力的设计。
• 不同的水深对换能器外表面产生的水压不一样，即声负载不同，内部充油的压力可平衡外部的水压。如果陶瓷内外表面压力不一样，不能保证压电陶瓷有最佳的振动空间。
• 压电陶瓷最佳的线性工作区域应该是下图的Pr点附近，而压电陶瓷抗压能力远大于抗拉能力，预应力保证陶瓷可压缩和可拉伸的范围尽可能一致。
• 未极化的陶瓷两端加电场E，极化到c点后，撤销电场时，陶瓷的极化强度并不归零，而是顺着箭头方向，到达Pr处，称之为剩余极化强度。
• 下图是压电陶瓷的电滞回线，该曲线描述了电场E和陶瓷极化强度P的关系。
  

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