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大功率超声换能器匹配技术研究_王露

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毕业设计论文-超声波发生器与换能器的匹配设计(全套图纸)

毕业设计论文-超声波发生器与换能器的匹配设计(全套图纸)

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。

电磁式大功率声波换能器的磁路设计

电磁式大功率声波换能器的磁路设计

电子科技大学UNIVERSITY OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA学士学位论文BACHELORDISSERTATION论文题目电磁式大功率声波换能器的磁路设计学生姓名王勇威学号2011084040010专业电气工程及其自动化学院机械电子工程学院指导教师徐利梅教授指导单位电子科技大学年月日摘要摘要航空驱鸟是个世界性的难题，而基于电磁式大功率声波换能器的声频定向驱散装置可以产生大功率高指向性的声波，是应用于航空驱鸟的新型设备之一。

在电磁式大功率声波换能器的众多组成部分中，磁路起着举足轻重的作用。

本课题针对电磁式大功率声波换能器的磁路部分进行研究，通过分析确定不同磁路特性对电磁式声波换能器性能的影响机制，探讨磁路部分结构、材料与最终磁隙中磁感应强度和磁场分布之间的关系，并由此设计出能够满足大功率、低失真要求的电磁式声波换能器磁路。

完成的主要工作如下：1）对不同的磁路结构进行研究，分析内磁式、外磁式、辐射式三种磁路结构中的磁通密度与均匀度分布。

2）对不同磁性材料的磁路特性进行对比，探讨剩磁、矫顽力等磁特性对磁路性能的影响机制。

3）研究磁路结构特征尺寸与磁隙中磁感应强度和磁场分布的关系，设计出满足性能指标要求的电磁式大功率声波换能器磁路，并通过仿真验证设计的正确性。

关键字：定向驱散，声频定向，磁路设计，大功率ABSTRACTABSTRACTBird aviation is a worldwide problem, and the audio directional disperse means based on High-power electromagnetic acoustic transducer can produce high-power high-directivity sound waves which is one of the new equipment used in bird aviation. Among the many components of the high-power electromagnetic acoustic transducer, magnetic circuit plays an important role. This topic does researches for the magnetic circuit portion of high-power electromagnetic acoustic transducer, aiming to design an electromagnetic acoustic transducer magnetic circuit which can be high-power and low- distortion. The main works are as follows:1) Researches of the structure of different magnetic circuit, discuss the magnetic structure designs of inner magnetic, external magnetic and radiant magnetic and the size relationship between them and magnetic gap magnetic flux density.2) The simulation of the magnetic properties of different magnetic materials, analysis the influence of the magnetic properties such as coercivity and remanence to magnetic circuit performance.3) Learning the relationship between feature size of the magnetic structure and magnetic induction, the magnetic field distribution in the magnetic gap.Keywords：Directional disperse, audio directional system,magnetic circuit design, High-power目录第1章引言 (1)1.1 课题的研究背景和应用 (1)1.1.1 课题的研究背景 (1)1.1.2 课题的应用领域 (2)1.2 国内外研究历史与现状 (3)1.3 本文的研究内容和结构安排 (4)1.3.1 本文的研究内容 (4)1.3.2 本文的结构安排 (4)第2章电磁式大功率声波换能器及其磁路结构 (6)2.1 电磁式大功率声波换能器的结构和工作原理 (6)2.2 应用于声频定向驱散系统的扬声器单元 (7)2.3 电磁式大功率声波换能器的性能指标 (8)2.4 COMSOL软件 (10)2.4.1 COMSOL简介 (10)2.4.2 COMSOL在电磁式大功率声波换能器磁路设计中的应用 (11)2.5 磁路结构设计 (12)2.5.1 磁路结构分类 (12)2.5.2 磁路结构的磁隙磁场仿真 (14)2.6 本章小结 (18)第3章永磁材料选择 (19)3.1 永磁体特性 (19)3.2 常用永磁材料 (20)3.2.1 铁氧体磁铁和钐钴磁体 (21)3.2.2 钕铁硼磁铁 (22)3.3 永磁材料的仿真对比 (23)3.4 本章小结 (27)第4章磁路结构参数 (28)4.1 内磁式磁路的结构 (28)4.2 内磁式磁路结构的仿真 (29)4.3 仿真结果分析与结构参数确定 (32)4.4 本章小结 (34)第5章磁路设计的仿真测试 (35)5.1 磁路设计的磁特性仿真 (36)5.2 磁路设计的声学仿真 (37)5.3 本章小结 (38)第6章总结与展望 (39)6.1 全文总结 (39)6.2 未来工作展望 (39)参考文献 (40)致谢 (42)外文资料原文 (43)外文资料译文 (53)第1章引言第1章引言1.1 课题的研究背景和应用1.1.1课题的研究背景鸟撞飞机一直是威胁航空安全的重要因素之一，自1988年以来，由于鸟击引起的坠机事故已经造成219人死亡。

声场可控的大功率超声换能器[实用新型专利]

声场可控的大功率超声换能器[实用新型专利]

专利名称：声场可控的大功率超声换能器专利类型：实用新型专利
发明人：许龙,李凤鸣
申请号：CN201721535351.8
申请日：20171116
公开号：CN207823358U
公开日：
20180907
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本实用新型提供了一种声场可控的大功率超声换能器，该声场可控的大功率超声换能器包括依次相连的超声频电源、信号延迟系统、多通道功率放大器和线阵列复合驱动压电超声管形换能器。

本实用新型经信号延迟系统将超声频电源提供的振荡电压分为若干具有一定相位差的多通道信号，多通道功率放大器再将各通道信号进行放大，并激励各复合驱动压电超声管形换能器单元，通过改变激励信号的相位差而实现声场的动态调控，克服了单个纵向振动夹心式压电超声换能器功率容量有限、声辐射效率低、声波作用范围小、声场无法调控等不足，能够在检测超声、功率超声、医学超声等应用领域对三维空间圆环形声场聚焦区域大小、聚焦圆环半径以及焦点在轴向的位置进行实时调控。

申请人：中国计量大学
地址：310000 浙江省杭州市江干区下沙高教园区学源街258号
国籍：CN
代理机构：北京超凡志成知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：魏彦
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毕业设计中期检查汇报题目水声换能器大功率发射电匹配网

毕业设计中期检查汇报题目水声换能器大功率发射电匹配网

VL n VS VCE
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研究过程中所遇到的技术难题
水声通信要求水声换能器具有宽频带、高增益的特性。特别在宽 带换能器中，希望在换能器功率因数获得最大的同时，带内电压发射的 频率响应尽量的平坦，换能器实际辐射信号波形尽量接近期望发射信号 波形。这就需要增大功率放大器与换能器的功率转换增益和拓宽换能器 的频宽
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ZLC -ZX x t an R
1
2、宽带电匹配变压器
宽带阵纯阻抗部分在频带内变化很大，因此功放管不可能都处于 最佳工作状态。，又下式可以求出阵元两端激励电压：
其中SL为满足要求时的发射声源级， G 为电匹配网络所提高的 SvLmax 声源级， 为未匹配时频带内的最大发射电压响应级，VL为阵元 两端所需激励电压的有效值。于是功放的输出功率（包括变压器的 损耗）为：
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主要内容及技术指标：
一、主要内容： 1、 学习水声换能器的基础理论。 2、着重掌握压电换能器的阻抗特性规律和变压器设计方法。 3、提出换能器宽带匹配方案，摸索不同匹配方式对换能器的发射特 性规律的影响，提出优化措施。 4、完成压电圆管换能器宽带匹配的优化设计。 二、主要技术指标： 1. 工作频率： f 20.0 ~ 40.0kHz 2. 发射声源级：
2 2
由于ZL的串入，在 x 0 时，负载功率P增加了的倍数为：
1 tan 2 0 设n= ，则： 2 1 tan X
1 tan 2 0 1 tan 2 X
PL (nV0 ) G
2
串联谐振的特点不仅可以提高功率因素，同时又可以等 效为一个升压变压器，在激励电压V0不变的条件下，负 载功率PL得到提升。其电抗特性随工作频率的变化特 性与并联谐振相反。

一种新型级联式高强度功率超声压电陶瓷换能器

一种新型级联式高强度功率超声压电陶瓷换能器

一种新型级联式高强度功率超声压电陶瓷换能器林书玉【摘要】基于传统夹心式压电陶瓷换能器,提出了一种新型级联式高强度功率超声换能器.该换能器由多个半波长夹心式压电陶瓷换能器通过电端并联及机械端串联而成.基于一维理论,得出了换能器的六端机电等效电路,分析了换能器的电阻抗频率特性,并给出换能器的共振频率方程.研究了不同振动模态下,换能器的共振频率、反共振频率以及有效机电耦合系数与压电陶瓷晶堆间距的依赖关系.实验制造2个级联式功率超声换能器,并对其共振频率和有效机电耦合系数进行了测试,实验结果与理论分析相吻合.此类级联式高强度功率超声换能器可望在超声波液体处理、超声波加工等大功率超声技术中获得应用.%A new type of high intensity piezoelectric ultrasonic transducer is presented.The transducer is composed of two traditional longitudinally sandwiched piezoelectric transducers,which are connected together in series mechanically and in parallel electrically.Based on the analytical method,the electromechanical equivalent circuit is derived and the resonance/anti-resonance frequency equations are obtained.The impedance characteristics and the vibrational modes of the transducer are analyzed.The dependency of the resonance/anti-resonance frequency and the effective electromechanical coupling coefficient on the distance between two piezoelectric stacks are studied.Two prototypes of the transducers are designed and made,and the resonance/anti-resonance frequency is measured.It is shown that the analytical resonance/anti-resonance frequencies are in good agreement with the experimental results.It is expected that this kind of transducer canbe used in large power and high intensity ultrasonic applications,such as ultrasonic liquid processing,ultrasonic metal machining and ultrasonic welding and soldering.【期刊名称】《陕西师范大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(045)006【总页数】7页(P22-28)【关键词】级联式;超声换能器;有效机电耦合系数;共振频率;振动模态【作者】林书玉【作者单位】陕西师范大学物理学与信息技术学院,陕西省超声学重点实验室,陕西西安710119【正文语种】中文【中图分类】O426.1随着科学技术的发展，功率超声在工业、电子、医学、材料、生物医学、环境保护等领域获得广泛应用，例如：超声清洗、超声焊接、超声提取、超声废水处理、超声手术以及超声波采油等。

一种保证超声清洗机性能的换能器大功率测试方法

一种保证超声清洗机性能的换能器大功率测试方法

一种保证超声清洗机性能的换能器大功率测试方法
欧阳波
【期刊名称】《应用声学》
【年(卷),期】1998(017)003
【摘要】本文较详细地叙述了生产超声清洗机过程中，对换能器频率，频带宽度，阻抗等参数实施一种简单而实用的大功率测试法，据此进行筛选来提高超声清洗机的性能。

【总页数】3页(P46-48)
【作者】欧阳波
【作者单位】汕头超声电子集团超声换能器厂
【正文语种】中文
【中图分类】TM925.3
【相关文献】
1.一种圆柱形大功率超声换能器结构介绍 [J], 谢民
2.超声换能器频率特性的探伤仪接收放大器性能及测试方法 [J], 张泽琦;张坚
3.一种用于大功率超声清洗换能器的压电材料 [J], 沈岸军;王小兴
4.一种大功率超声换能器的设计 [J], 胡淑芳;上官明禹
5.一种可用于重油降粘的大功率超声换能器设计 [J], 刘磊;徐德龙;杨岩;任波;曹畅;程仲富
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用，系统能否正常 工 作，以 及 长 时 间 稳 定 地 工 作，很 是其在谐振 频 率 上 的 值。Ｃ０ 所 在 的 支 路 称 为 静 态
大程度上取决于匹配电路的设计。本文从分析大功 支路，Ｃ１、Ｌ１、Ｒ１所在的支路称为动态支路。
收 稿 日 期 ：２０１４－０５－２３ 作 者 简 介 ：王 露 （１９８５－），男 ，重 庆 璧 山 人 ，工 程 师 ，硕 士 ，主 要 从 事 声 学 器 件 、组 件 的 研 究 。
ｍａｔｃｈｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗｉｔｈ ｃａｐａｃｉｔａｎｃｅ ａｎｄ ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ．Ｗｅ ａｌｓｏ ａｄｖａｎｃｅ ａ ｎｅｗ ｃｉｒｃｕｉｔ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ａｄｊｕｓｔ ｔｈｅ ｖａｌｕｅ
ｏｆ ｔｈｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ ｏｎ－ｌｉｎｅ．ＡＤＳ ｅｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ａｃｔｕａｌ ｗｏｒｋ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ｃａｎ ｗｏｒｋ ｓｔｅａｄｉｌｙ ｆｏｒ ａ ｌｏｎｇ ｔｉｍｅ ｗｉｔｈ ｔｈｉｓ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ，ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｗｅ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｗｏｒｋ ｏｆ ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ．
１ 换 能 器 频 率 特 性
如图 １ 所 示，压 电 超 声 换 能 器 在 其 谐 振 频 率 附 近可等效 为 图 中 虚 线 右 边 的 电 学 模 型 。 ［１］ 其 中 Ｃ０ 为静态电容，它是在 远 低 于 谐 振 频 率 的 频 率 上 测 出 的换能器电容，是一个 真 实 的 电 学 量。Ｃ１、Ｌ１、Ｒ１为 动 态 电 容 、动 态 电 感 和 动 态 电 阻 ，它 们 不 是 真 正 的 电 学 量 ，而 是 从 换 能 器 的 质 量 、机 械 特 性 和 损 耗 等 分 别 折算过来的 等 效 参 数，一 般 常 测 到 的 Ｃ１、Ｌ１、Ｒ１ 值
ｓｏｕｎｄ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ．Ｗｈｅｔｈｅｒ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｗｏｒｋ ｎｏｒｍａｌｌｙ ｈｉｇｈｌｙ ｄｅｐｅｎｄｓ ｏｎ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｉｎｇ ｏｆ
ｔｈｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔｓ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｉｓｃｕｓｓｅｓ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ ａｎｄ ｔｈｅ ａｃ－ ｔｕａｌ ｗｏｒｋ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ｓｔｕｄｉｅｓ ｔｈｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ，ａｎｄ ａｄｖａｎｃｅｓ ａ ｓｅｒｉｅｓ－ｐａｒａｌｌｅｌ ｃｏｎｎｅｃｔｉｖｅ
（２６ｔｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｃｈｉｎａ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｇｒｏｕｐ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ ４０００６０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ｐｌａｙ ｔｈｅ ｒｏｌｅｓ ｏｆ ｌｉｇａｍｅｎｔ ｏｒ ｂｒｉｄｇｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ａｎｄ ｔｈｅ ｕｌｔｒａ－
在大功率工作时，Ｃ０ 会随 着 换 能 器 温 度 的 升 高 而发生改变。针对 换 能 器 静 态 电 容 变 化 的 问 题，本
文 作 者 提 出 了 一 种 电 感 、电 容 串 、并 联 相 结 合 的 匹 配
电 路 形 式 ，如 图 ４ 所 示 。
图 ２ 换 能 器 阻 抗 圆
２ 换 能 器 匹 配 方 案
一个完整的大功率超声专用匹配电路需同时满 足变阻、调谐及滤 波 ３ 个 功 能。 变 阻 一 般 是 由 变 压
图 ４ 串 并 联 结 合 匹 配 电 路
对于 这 种 串 并 联 结 合 的 匹 配 电 路，系 统 的 总 导
纳为
Ｙ＝Ｒ２＋
Ｒ （ωＬ２
＋Ｘ）２ －
［ ］ ｊＲ２＋ω（Ｌω２Ｌ＋２＋ＸＸ）２＋ω１Ｌ３
图 ３ 串 联 电 感 匹 配 电 路
串 联 单 个 匹 配 电 感 后 ，系 统 的 阻 抗 为
（ ） Ｚ＝１＋（ωＲＳＣ１０Ｒ１）２＋ｊωＳＬ－１ω＋ＳωＣ２Ｓ０ＣＲ２０２１Ｒ２１
（６）
由 此 可 得 所 需 串 、联 匹 配 的 电 感 为
Ｌ＝１＋Ｃω０２ＳＲＣ２１２０Ｒ２１ 功率超声系统的等效阻抗为
在超声换能器和电源间加入匹配电路。
器 来 实 现 ，通 过 设 置 合 适 的 变 压 器 变 比 ，使 电 源 达 到 额定的输出而换能器获得足够的功率。传统的调谐 方 法 是 将 一 个 匹 配 电 感 Ｌ 与 换 能 器 串 联 （见 图 ３）［２］，使 Ｌ 的感抗 与 动 态 电 容Ｃ０ 的 容 抗 相 等，即 Ｌ 与换能器的并联等 效 电 容 产 生 并 联 谐 振，从 而 使 换 能器所呈现出的阻抗接近于动态电阻 Ｒ１。
（９）
式中 Ｒ 和 Ｘ 分别 为 超 声 换 能 器 的 电 阻 和 电 抗。Ｃ２
和 Ｃ３ 具有调谐和滤 波 的 作 用，根 据 实 际 经 验，一 般
２５６
压 电 与 声 光
２０１５ 年
取 Ｃ３＝Ｃ０，Ｃ２（Ｃ３＋Ｃ０）。Ｌ２、Ｃ２、Ｌ３、Ｃ３ 需满足：
２π
１
槡Ｌ２Ｃ２ຫໍສະໝຸດ ＝ ２π１槡Ｌ３（Ｃ０＋Ｃ３）≈ｆＳ
２（Ｃ０ ＋Ｃ１）Ｌ１］ω２ ＋ （Ｃ０ ＋Ｃ１）２｝
（２）
电抗分量
Ｘ＝ ｛Ｃ１（Ｃ１Ｌ１ω２ －１）－Ｃ０｛Ｃ１［Ｃ１Ｒ２１ ＋
Ｌ１（Ｃ１Ｌ１ω２ －２）］ω２ ＋１｝｝／｛Ｃ２０Ｃ２１Ｌ２１ω５ ＋
Ｃ０Ｃ１［Ｃ０Ｃ１Ｒ２１ －２（Ｃ０ ＋Ｃ１）Ｌ１］ω３ ＋ （Ｃ０ ＋
Ｃ１）２ω｝
（３）
式中ω 为角频率。
（中国电子科技集团公司第二十六研究所，重庆 ４０００６０） 摘 要：在电源与超声换能器间，匹配电路起纽带和桥梁作用。大功率超声 系 统 能 否 正 常 工 作 ，取 决 于 匹 配 电 路的设计。该文从大功率超声换能器的阻抗特性和实 际 工 作 条 件 出 发，对 换 能 器 匹 配 技 术 进 行 了 研 究，提 出 了 一 种电容、电感串、并联结合的匹配电路，以及一 种 可 对 匹 配 电 感 值 进 行 在 线 调 节 的 新 型 电 路 结 构 。 经 过 ＡＤＳ 仿 真 和 实 际 工 作 验 证 ，大 功 率 超 声 换 能 器 在 这 种 匹 配 电 路 下 可 长 时 间 稳 定 地 工 作 ，且 调 试 上 更 方 便 快 捷 。
以 Ｒ 为 横 坐 标，ｘ 为 纵 坐 标，以 信 号 频 率 ｆ 为
自变量在平面内作 图，可 得 压 电 换 能 器 的 阻 抗 圆 如
图２所示。由图 可 看 出，换 能 器 在 ｆｓ、ｆｐ 时 都 会 表 现出一定的容性。若在换能器两端直接施加交变电
压，电源的功率因 素 很 小，效 率 很 低，所 以 一 般 都 需
第２期
王 露 等 ：大 功 率 超 声 换 能 器 匹 配 技 术 研 究
２５５
图 １ 大 功 率 超 声 系 统 组 成 结 构 框 图
由 电 路 理 论 可 知 ，压 电 换 能 器 的 电 端 阻 抗 为
Ｚ＝Ｒ＋ｊ Ｘ
（１）
其中电阻分量
Ｒ＝ （Ｃ２１Ｒ１）／｛Ｃ２０Ｃ２１Ｌ２１ω４ ＋Ｃ０Ｃ１［Ｃ０Ｃ１Ｒ２１ －
当串联角频率ωＳ＝１／槡Ｌ１Ｃ１ 时，动 态 支 路 发 生
串 联 谐 振 ，此 时 换 能 器 的 串 联 谐 振 频 率 为
ｆｓ＝１／（２π 槡Ｌ１Ｃ１）
（４）
Ｃ０、Ｃ１ 和 Ｌ１ 共 同 决 定 超 声 换 能 器 的 并 联 谐 振
频 率 ｆＰ，且
槡 ｆｐ＝２１π
Ｃ０＋Ｃ１ Ｃ０Ｃ１Ｌ１
（５）
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｕｌｔｒａｓｏｕｎｄ；ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ；ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ；ｍａｔｃｈｉｎｇ
０ 引 言
超声系统一般由驱动电源和换能器两部分组 成。驱动电 源 能 提 供 一 定 频 率 和 功 率 的 超 声 频 电
率超声换能器的阻 抗 特 性 和 实 际 工 作 环 境 出 发，对 换能器匹配技术进 行 了 研 究，设 计 了 一 种 串 并 联 结 合 的 匹 配 电 路 ，且 可 对 匹 配 电 感 进 行 在 线 的 调 节 ，最
（７）
Ｚ＝１＋
Ｒ１ （ωＳＣ０Ｒ１）２
（８）
由 式 （８）可 看 出 ，串 联 匹 配 使 换 能 器 的 等 效 输 入
阻 抗 呈 纯 电 阻 性 ，阻 值 降 低 ，串 联 电 感 起 阻 抗 匹 配 作
用。但这是假定 Ｌ 为无损耗电感的前提来讨论的 结果，实际上 Ｌ 是 有 损 耗 的，这 直 接 影 响 并 联 谐 振 回 路 的 品 质 因 数 ，在 大 功 率 时 更 明 显 。
本文 所 述 大 功 率 超 声 系 统 实 际 工 作 时，电 压 高 达１ｋＶ，电 流 最 高 可 达 ２ Ａ，难 以 直 接 连 接 仪 表 进 行 在 线 调 试。 因 此，我 们 设 计 了 电 流、电 压 采 样 电 路，对电流、电压的 波 形 进 行 采 样，通 过 观 察 它 们 的 相 位 变 化 来 对 实 际 匹 配 效 果 进 行 检 测 ，如 图 ５ 所 示 。
（１０）
这种匹配电路降低换能 器 的 ｆＳ，升 高 换 能 器 的
ｆＰ，牺牲了一 定 的 Ｑ 值，增 加 了 整 个 系 统 的 工 作 带
宽 ，使 换 能 器 电 容 在 一 定 变 化 范 围 内 变 化 时 ，换 能 器
都可谐振工作。
３ 在 线 调 试 技 术
超声换能器的各个参数都是在小信号下测得， 而在实际的使用环 境 中，换 能 器 电 端 的 激 励 电 压 和 激 励 电 流 都 比 小 信 号 下 大 ，由 于 电 场 强 度 高 ，振 动 幅 度 大 ，内 温 升 高 和 媒 质 空 化 等 原 因 ，其 阻 抗 特 性 相 比 小信号测试会发 生 一 定 变 化。 因 此，理 论 计 算 出 来 的匹配电路并不一定适用于实际工作环境。我们需 在大信号条件下对 换 能 器 的 各 个 参 数 进 行 提 取，根 据参数对匹配电感、变 压 器 及 匹 配 电 容 的 值 进 行 适 当 修 改 ，从 而 得 到 最 佳 的 匹 配 电 路 。