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超声换能器的原理及设计超声波换能器是超声波焊接机的高频机械振动源及作用，就是将超声波发生器输出的电能或者磁能转换成相同频率的机械振动，超声焊接机用的换能器，目前有两种，一种是，磁致伸缩型换能器，另一种是压电陶瓷换能器磁致伸缩式换能器，由于效率低，性价比低，还需外加直流极化磁场，因此目前超声焊接机已经很少使用。
压电陶瓷换能器基本原理是建立在晶体材料的压电效应基础上的，这种材料为压电晶体材料，在超声焊接机主要用的是压电陶瓷产量，这种材料在成熟外地发生形变时，在压电陶瓷晶体表面，会出现电荷，晶体内部产生电场，反之，当晶体呈受外电场作用时，金片会发生形变，这种现状称之为压电效应，前者称正电效应，或者称逆电效应。
超声波换能器是超声振动系统的核心部件，超声波换能器设计的好坏，关系到焊接机工作的效率，稳定性及寿命等，在市场上采用大部分的压电陶瓷换能器，按照振动形式区别种类很多，如径向振动模式，纵向复合式振动模式，剪切振动模式，厚度振动模式等。
超声波塑料焊接机工作时加工塑料工件，需要的是高频率的纵向振动。
使得工件的上下模上下高频振动融化焊接层得到焊接效果。
压电换能器的结构：压电陶瓷换能器的结构，由压电陶瓷晶片，电极片，前后盖等组成。
后盖板一般用质量较大的钢制成前盖板由质量轻的，高强度铝合金或者钛合金制造而成，它是利用了压电陶瓷的纵向效应器，陶瓷元件的极化方向，电场方向，机械振动方向，三者一致。
这种换能器称纵向复合振动换能器，它的长度方向尺寸远大于它们的宽度。
图3-1为国内外焊接机常用的政治使用图与结构图，图中两端是两块金属盖板，中间是压电陶瓷元件堆，压电陶瓷一般是纵向极化的带孔圆片，一根应立螺杆，将这三部分紧固在一起着，称为预应力螺杆。
他只陶瓷元件，具有较大的抗压强度，同时在大功率驱动下，陶瓷元件取压缩状态，从而避免膨胀所造成的破裂这种换能器通过改变前后盖的材料尺寸来控制换能器的频率带宽，前后增速比和有效机电耦合系数等性能参数。
时间：2008-1-31 16:25:22来源：转载文号：大中小超声波发生器与换能器匹配包括两个方面，一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功率，这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成最佳负载，也即阻抗变换作用；二是通过匹配使发生器输出效率最高，这是由于换能器有静电抗的原因，造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不到期望的最大输出，使发生器输出效率降低，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。
由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。
中国超声波论坛二、阻抗匹配为了使功率放大器输出额定功率最大；在电源电压给定条件下主要取决于负载阻抗。
一般在D类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载Rl'上的输出功率表达式，式中，VAm 为等效负载上的基波幅度；vcc为电源电压；vces为功放管饱和压降，故为了保证系统有一定功率余量(因输出变压器，末级匹配回路及晶体管损耗电阻都有损耗，po' 需要乘上一个约等于1．4—1．5的系数。
即输出功率po为1．5Po'；从上式可知，在电源电压给定之后，输出功率的大小取决于等效负载RL’。
目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器，其阻抗约为几十欧姆至几百欧姆间，为了要达到要求的额定功率，因此需要对换能器负载RL进行阻抗变换。
由高阻抗变换为低阻抗。
一般常用的方法，通过输出变压器的初次级线圈的匝数比进行变换。
变压器次初级匝数比为n／m，则输出功率PO时的初级电阻举例：要求一发生器输出在换能器上的功率为1000W，设直流电VCC为220V，VCES=10V，功率应留有一定余量，则PO='=1500W。
则变压器初级的Ω若换能器谐振时等效电阻RL＝200Ω，则输出变压器次级／初级圈数比以上称谓阻抗变换，是通过输出变压器实行的。
输出变压器是超声波发生器阻抗匹配、传输功率的重要部件，它的设计与绕制工艺对发生器的工作安全是十分重要的。
超声波换能器的匹配设计(总6页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--超声波换能器的匹配设计一、匹配概述超声波发生器与换能器匹配包括两个方面，一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功率，这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成最佳负载，也即阻抗变换作用；二是通过匹配使发生器输出效率最高，这是由于换能器有静电抗的原因，造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不到期望的最大输出，使发生器输出效率降低，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。
由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。
二、阻抗匹配为了使功率放大器输出额定功率最大；在电源电压给定条件下主要取决于负载阻抗。
一般在D类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载Rl'上的输出功率表达式为：式中，VAm为等效负载上的基波幅度；vcc为电源电压；vces为功放管饱和压降，故为了保证系统有一定功率余量(因输出变压器，末级匹配回路及晶体管损耗电阻都有损耗，po' 需要乘上一个约等于1．4—1．5的系数。
即输出功率po为1．5Po'；从上式可知，在电源电压给定之后，输出功率的大小取决于等效负载RL’。
目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器，其阻抗约为几十欧姆至几百欧姆间，为了要达到要求的额定功率，因此需要对换能器负载RL进行阻抗变换。
由高阻抗变换为低阻抗。
一般常用的方法，通过输出变压器的初次级线圈的匝数比进行变换。
变压器次初级匝数比为n／m，则输出功率PO时的初级电阻举例：要求一发生器输出在换能器上的功率为1000W，设直流电VCC为220V，VCES=10V，功率应留有一定余量，则PO='=1500W。
则变压器初级的Ω若换能器谐振时等效电阻RL＝200Ω，则输出变压器次级／初级圈数比以上称谓阻抗变换，是通过输出变压器实行的。
`超声波发生器与换能器的匹配设计选自《近代超声原理与应用》袁易全主编作者：思忠一、匹配概述超声波发生器与换能器匹配包括两个方面，一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功率，这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成最佳负载，也即阻抗变换作用；二是通过匹配使发生器输出效率最高，这是由于换能器有静电抗的原因，造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不到期望的最大输出，使发生器输出效率降低，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。
由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。
二、阻抗匹配为了使功率放大器输出额定功率最大；在电源电压给定条件下主要取决于负载阻抗。
一般在D类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载Rl'上的输出功率表达式为：为等效负载上的基波幅度；式中，V AmV为电源电压；V为功放管饱和压降，故cescc因输出变压器，末级匹配回路及晶(为了保证系统有一定功率余量的系数。
51．4体管损耗电阻都有损耗，Po' 需要乘上一个约等于1．—；．5Po'为即输出功率Po1在电源电压给定之后，输出功率的大小取决于等效负从上式可知，。
目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器，其阻抗约'载R L 为几十欧姆至几百欧姆间，为了要达到要求的额定功率，因此需要对换进行阻抗变换。
由高阻抗变换为低阻抗。
一般常用的方法，R能器负载L变压器次初级匝数比通过输出变压器的初次级线圈的匝数比进行变换。
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则'=1500W，功率应留有一定余量，则P=1.5P=1VV为220V，V OCESOCC 变压器初级的6.5Ω，则输出变压器次级／初级圈＝200Ω若换能器谐振时等效电阻RL 数比以上称谓阻抗变换，是通过输出变压器实行的。
超声波换能器的匹配设计一、匹配概述超声波发生器与换能器匹配包括两个方面，一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功率，这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成最佳负载，也即阻抗变换作用；二是通过匹配使发生器输出效率最高，这是由于换能器有静电抗的原因，造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不到期望的最大输出，使发生器输出效率降低，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。
由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。
二、阻抗匹配为了使功率放大器输出额定功率最大；在电源电压给定条件下主要取决于负载阻抗。
一般在D类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载Rl'上的输出功率表达式为：式中，V Am为等效负载上的基波幅度；vcc为电源电压；vces为功放管饱和压降，故为了保证系统有一定功率余量(因输出变压器，末级匹配回路及晶体管损耗电阻都有损耗，po' 需要乘上一个约等于1．4—1．5的系数。
即输出功率po为1．5Po'；从上式可知，在电源电压给定之后，输出功率的大小取决于等效负载RL’。
目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器，其阻抗约为几十欧姆至几百欧姆间，为了要达到要求的额定功率，因此需要对换能器负载RL进行阻抗变换。
由高阻抗变换为低阻抗。
一般常用的方法，通过输出变压器的初次级线圈的匝数比进行变换。
变压器次初级匝数比为n／m，则输出功率PO时的初级电阻举例：要求一发生器输出在换能器上的功率为1000W，设直流电VCC为220V，VCES=10V，功率应留有一定余量，则PO=1.5PO'=1500W。
则变压器初级的若换能器谐振时等效电阻RL＝200Ω，则输出变压器次级／初级圈数比以上称谓阻抗变换，是通过输出变压器实行的。
输出变压器是超声波发生器阻抗匹配、传输功率的重要部件，它的设计与绕制工艺对发生器的工作安全是十分重要的。
水声宽带换能器阻抗匹配电路设计李路路;王振宇;郭庆【摘要】In order to improve the electroacoustic efficiency of the broadband transducer,a dynamic impedance matching cir-cuit is designed.The coarse tuning of matching circuit in every frequency point is implemented by controlling the series in-ductance with the analog switch.Based on the variable capacitance value of the varactor,the matching circuit is tuned.The current value of transmitting terminal is monitored in real time,the state of the matching circuit is tuned on-line according to the current value.Test results show that the transmission distance of each code element signal is increased 0.5-4.5 m by u-sing dynamic impedance matching circuit in the same transmitting condition,the electroacoustic efficiency of the broadband transducer is improved significantly.%为提高水声宽带换能器电声转换效率,设计了一种动态阻抗匹配电路。
目录前言 (1)第1章超声波清洗的原理与应用 (3)1.1 超声波清洗的原理 (5)1.2 超声波清洗的应用 (5)1.2.1超声波清洗的主要应用范围 (6)1.2.2通用超声波清洗机应用 (8)1.2.3 专用超声波清洗机应用 (10)1.2.4超声波清洗机应用于电镀前处 (11)第2章超声波发生器与换能器的概述 (12)2.1 产生超声波的功率源电路 (12)2.1.1声跟踪 (13)2.1.2电跟踪 (13)2.1.2.1阻抗电桥形式的动态反馈系统 (14)2.1.2.2负载分压方式的反馈系统 (15)2.1.2.3锁相式频率自动跟踪 (17)2.2 超声换能器的概述 (18)第3章超声波发生器与换能器的匹配设计 (19)3.1 匹配概述 (19)3.2 阻抗匹配 (20)3.2.1工作磁通密度B的选取 (20)3.2.2 要保证初级电感量足够大 (21)3.2.3 要考虑“集肤效应”的影响 (21)3.3 调谐匹配 (23)3.4 关于匹配电感的设计 (25)结束语参考文献致谢摘要清洗是一种与人们生活实践关系十分密切的劳动，人类从远古时期就开始从事这种劳动。
由于传统清洗操作简单，或只是作为一道工序依附于生产过程中，没有引起广泛关注。
进入21世纪，人们生活已经从温饱阶段进入到舒适时代，对于清洗产品越来越多的需求，加速了新产品研发步伐；同时，制造业的高速发展，也促进了清洗设备、清洗剂等企业的快速进步。
民用、工业两大清洗领域巨大的市场需求，造就了中国清洗行业崭新的未来。
清洗可以从不同的角度进行分类，根据清洗范围的不同，目前通常将清洗分为民用清洗和工业清洗两类,近年来，新技术也不断地被应用于清洗技术之中，如随着生物技术的发展，越来越多的酶和微生物在清洗技术中被使用。
这利用的是生物化学反应；在空气净化和水处理过程中，活性炭的使用也越来越普及，这利用的是吸附作用，另外，还有电解清洗等，因此，将清洗简单地分为几类，已经不能完全涵盖当前清洗技术飞速发展的现实状况。
超声波换能器阻抗匹配
超声波换能器的阻抗匹配是指将超声波发射器（或接收器）的阻抗与周围介质（如水或人体组织）的阻抗相匹配，以实现更高的能量传输效率和更好的信号接收质量。
在超声波应用中，阻抗匹配对于提高超声波系统的性能至关重要。
阻抗匹配的目标是最大化能量传输或信号接收，通常通过以下几种方式实现：
1.声阻抗匹配：超声波传感器的发射面通常与介质接触，声阻抗不匹配会导致反射。
为了减少反射，需要考虑超声波传感器与介质接触表面的声阻抗匹配。
通常可以通过合适的介质耦合剂或特殊设计的表面结构来实现。
2.电阻抗匹配：超声波传感器的电阻抗应该与电路中的其他元件（如放大器）匹配，以确保能量传输的高效率和最佳信号放大。
通常通过电路设计和匹配网络来实现电阻抗匹配。
3.波束阻抗匹配：超声波传感器的发射和接收波束的特性需要与介质的声阻抗相匹配，以最大程度地传播超声波信号并最小化反射。
这通常需要根据应用需求和介质特性进行适当的设计和优化。
4.匹配层设计：在超声波换能器的设计中，可以引入匹配层（matching layer），它位于超声波换能器的发射面和介质之间。
匹配层的设计旨在调节超声波的传播速度和阻抗，从而提高超声波信号的传输效率和接收质量。
综上所述，超声波换能器的阻抗匹配是通过声阻抗、电阻抗、波束阻抗和匹配层设计等方式来实现的，以提高能量传输效率和信号接收质量。
在超声波系统设计中，需要综合考虑各种因素，以实现最佳的阻抗匹配。
1 / 1。
一、匹配概述
超声波发生器与换能器匹配包括两个方面，一是通过匹配使发生器向换能器输
出额定的电功率，这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致，把
换能器的阻抗变换成最佳负载，也即阻抗变换作用；二是通过匹配使发生器输出
效率最高，这是由于换能器有静电抗的原因，造成工作频率上的输出电压和电流
有一定相位差，从而使输出功率得不到期望的最大输出，使发生器输出效率降低，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使发生器负载为纯电阻，也即调谐
作用。
由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。
二、阻抗匹配
为了使功率放大器输出额定功率最大；在电源电压给定条件下主要取决于负载
阻抗。
一般在 D类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载 Rl' 上的输出功率表
达式为：
式中， VAm为等效负载上的基波幅度；
vcc 为电源电压； vces 为功放管饱和压降，故
为了保证系统有一定功率余量 ( 因输出变压器，末级匹配回路及晶体管损耗电
阻都有损耗， po' 需要乘上一个约等于 1． 4— 1． 5 的系数。
即输出功率 po
为1．5Po' ；
从上式可知，在电源电压给定之后，输出功率的大小取决于等效负载 RL’。
目
前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器，其阻抗约为几十欧姆至几百欧姆间，为了要达到要求的额定功率，因此需要对换能器负载 RL进行阻抗变换。
由高阻抗变
换为低阻抗。
一般常用的方法，通过输出变压器的初次级线圈的匝数比进行变换。
变压器次初级匝数比为 n／ m，则输出功率 PO时的初级电阻
举例：要求一发生器输出在换能器上的功率为1000W，设直流电 VCC为 220V，
VCES=10V，功率应留有一定余量，则PO='=1500W。
则变压器初级的
Ω若换能器谐振时等效电阻RL＝200Ω，则输出变压器次级／初级圈数比
以上称谓阻抗变换，是通过输出变压器实行的。
输出变压器是超声波发生器阻抗匹配、传输功率的重要部件，它的设计与绕
制工艺对发生器的工作安全是十分重要的。
它不仅会以漏感、励磁电流等方式影响电路的工作，其漏感还是形成输出电压尖峰的主要原因。
为此，在设计时，应
选取具有高磁通密度B，高导磁率μ，高电阻率ρc和低矫顽力 Hc 的高饱和材料作铁芯。
一般在防止高频变压器的瞬态饱和时，在设计时要注意如下几点：1．工作磁通密度 B 的选取
铁芯材料的磁感应增量ΔB愈大，所需线圈匝数愈少，直流电阻R也愈小，从而线圈的铜损Pm 也愈小。
ΔB 取得高时，传输的脉冲前沿就愈陡。
因此，在
设计变压器时，选取高磁通密度的材料作铁芯，这对降低变压器的损耗、减小体积和重量都是很有利的。
为了避免在稳态或过渡过程中发生饱和，一般选取工作磁通密度 B≤Bs／3 为宜，这里 Bs 为磁芯的最大和磁通密度。
2.要保证初级电感量足够大
一般要求变压器初级阻抗应满足下式关系：WLl≥ 15RL'，其中 RL' 为次级负载所算到初级边的等效电阻值，WLl 为初级电感感抗，若初级电感量太小，励磁
电流将比较大，励磁电流过大，变压器的损耗将增加，温升随之增高，从而降低Bs，使变压器进入饱和的可能性增大。
3．要考虑“集肤效应”的影响
在高频工作时，流过导线的电流会产生“集肤效应”。
这相当于减少了导线有效截面积，增加了导线的电阻，从而引起导线的压降增大，导致变压器温度升高，结果增大了变压器进入饱和的危险性，建议采用小直径的多股导线并绕的方
法。
三、调谐匹配
由于压电换能器有静电容Co，磁致伸缩换能器有静电感LO，在换能器谐振
状态时，换能器上的电压 VRL与电流 IRL 间存在着一相位角φ，其输出功率 PO ＝VRLIRLcosφ。
由于φ的存在，输出功率达不到最大值。
只有当φ=0 时，输出功率达最大值。
因此为了使换能器上电压 VRL与电流 IRL 同相 ( φ=0)，则
必须在换能器上，并上或串上一个相抵消的抗。
对于压电换能器而言，即并上或串上一个电感 L0 即可，而磁致伸缩换能器应并上或串上一个电容 C0。
压电换能器的阻抗或导纳等效电路如图1．52 所示。
在等效电路图中
式中 R'(f) ，X'(f) 为串联电阻和电抗； R(f) ，G(f) ，B(f) 为并联电阻、电导和电纳。
它们都是频率的函数。
并联调谐和串联调谐电感量由下式确定：
下面我们比较一下两种调谐的差异
图 1-53 ， 1-54 是一种换能器两种调谐计算曲线，由计算表明，
1.由于换能器的串联电抗比并联电抗小，故有L 串 <L 并
2.并联调谐不改变换能器并联电导响应，而串联调谐后电导响应呈双峰，
导纳圆图为二个重叠的圆。
3.串联调谐的有功阻比并联调谐后有功阻小，即串联调谐可获得相对低的
输入电阻。
4.从串、并联调谐的输入相角过零点情况看，作为宽带特性并联调谐优于
串联调谐。
5.目前在功率超声中用串联调谐较多，除上述串联的特性外，还有当换能器
负载有短路现象时，因串联调谐有电感串在发生器输出回路中，不会使功
放负载造成完全短路。
在实际匹配电路调节中，有时要稍调获感性负载
为好，对功放电路有利，有的末极功放发射极上串上一小电感可能也有好
处。
前面也曾提到，作为电压开关的 D 类功放，容性负载造成对高次谐波
的短路作用，会给开关带来危险。
但也要注意感性负载会使管子反峰电压
增加。
四、关于匹配电感的设计
匹配电感通常就是铁蕊线圈的电感，其电感量可按下式计算。
式中ω为线圈匝数，Sc 为铁芯有效截面积 (cm2) ；lc 铁芯平均磁路长度 (cm) ；μe铁芯有效磁导率，
式中，μ~铁芯磁导率 ,lg铁芯中非磁致间隙长度(cm)；因为lg/lc〉〉1／μ ~,故
所以
由此可见电感 L 与间隙 lg 近似成反比，调节lg 间隙即可调节 LO。
设计电感有以下几个步骤；
(1)按ωs c 选铁芯
式中 V 为输出电压有效值 (V) ；f 为工作频率 (Hz) ；B 为铁芯磁感应强度。
一般选 MXO一 2000E型磁芯较多，匝数计算如下；
(2)计算磁芯间隙 lg
(3)确定导线
考虑到高次谐波和超声频率较高，顺计及高频电流的邻近效应和集
肤效应的因素。
当f>10kHz 时由邻近效应引起的交流电阻R~约为其直流电阻Rd 的2—10 倍，铜耗 pr 也要比直流铜耗 Pro 增大同样倍数。
令增大倍数为 k，则：Pr=kPro
因此，为维持电感线圈的正常升温，电流密度必须按照常规允许值的 1／k-1来选择。
关于集肤效应，常用高频电流的穿透深度 B 来表示：
式中，μ 为导线磁导率， r 为导线电导率。
为减少集肤效应的影响，所选导线直径 D 必须小于两倍穿透深度 B，否则采用
扁平线或者高频线。
在功率超声中其频率为 15-40 千赫的匹配电感导线可以采用多股塑胶线，一般问题不大。
匹配电感连续工作8 小时如果温升正常，则表明设计是成功的。
