超声换能系统的动态匹配研究

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1、超声换能系统的动态匹配研究第1章绪论1.1课题的背景及研究意义随着科技的飞速发展，各领域的重大突破，超声波应用已经跨越大部分领域，不仅在国防工业领域、军工领域、医学领域及生活领域都占有举足轻重的地位，在经济体中的重要性也愈加明显[1-3]。图1-1为超声在切割领域的应用，其核心是超声振动系统，主要由超声驱动电路、匹配电路、换能器和超声加工工具构成。其中，驱动电路主要包括信号产生电路、信号处理电路及功率放大电路等，是超声系统的能量；超声加工工具一般为切割专用刀具；超声换能器是主要的能量转换元件，将驱动电路

2、产生的电能转化成加工设备所需要的能量，如机械能、热能等；匹配电路则是提高超声换能器的能量转换甚至是否正常工作的关键电路。换能器是超声系统的核心元件，是能量转换的关键元素，其特性参数决定了设备的整体性能。第一款换能器是由Langevin于1917年设计的夹心式换能器[4]。1933年，磁致伸缩换能器开始逐渐发展起来。相较于采用石英晶体材料的Langevin换能器，具有稳定性好和强度高等优势，成为当时众多学者研究的对象。但随着时代的发展，人们对压电材料有了新的发展，突破了之前Langevin的换能器，其设计

3、主要应用锆钛酸铅和钛酸钡铁等最新材料的压电陶瓷[5]。目前，发展较快和研究较多的压电陶瓷换能器和磁致伸缩换能器如图1-2所示。相较于其它类型，夹心式换能器能在满足相同要求的条件下达到更小的体积和更轻的重量，且这种方式操作更加灵活并能保证较高的能量转换效率。压电式利用了压电效应实现能量转换，当外界力作用于某种电介质时其会发生极化现象，在相对表面积累正负电荷。反之，当有电场作用于电介质时，就会产生形变。正如上面讨论的石英材料和压电材料都会产生这种效应，并且进行声能与电能的转换就是依靠这种压电效应来实现的。压

4、电式超声换能器常采用压电陶瓷材料，其能量转换效率可达80%，且价格低廉，性能优异，非常适合大规模的应用，也成为一直以来的研究热点。..........1.2国内外的研究现状及分析虽然超声设备实现的功能不一样，但是任何超声设备所具有的系统架构是类似的。超声系统的系统框图如图1-3所示，主要由超声驱动单元、信号处理单元、能量转换单元（即换能器）和信息处理单元构成。换能器进行能量转换的能量于信号产生单元，针对不同的换能器内部都有不同的参数特性，其工作频率也不一样。因此，一般信号产生电路是通过控制芯片来产生系统

5、所需的工作频率信号，目前较为流行DSP，FPGA，ARM和PIC等控制芯片均可以实现此功能。由于功率超声换能器一般需要较高功率的驱动信号，但控制芯片产生的驱动信号较小，不足以驱动换能器工作。必然会想到在换能器之前加载功率放大电路，而功率放大电路必然会使信号产生电路的效率有所减少，再考虑到换能器的容性特性，为使系统高效工作甚至是正常工作，都需要匹配电路，足见匹配电路的重要性。匹配问题是由Bode最先提出的。目前换能器匹配方法的研究已经成为国内外学术界研究的热点之一。经过众多学者对匹配电路的研究可知，匹配电

6、路的研究方向主要从静态和动态两方面展开研究。在静态匹配方面，国外学者对换能器的匹配原理进行分析，通过阻抗分析仪获取换能器参数，根据推导公式计算匹配参数。英国A.Gregory教授[8]将计算机做为辅助工具，专门对换能器的宽带匹配问题进行了深入的探究。文献[9]经过实验验证，匹配电路对大功率超声设备影响较大，小功率设备可以忽略。文献[10]分析了L型匹配网络对换能器的影响。东南大学的吴莉[11]则是通过导纳圆来获取换能器的内部参数，计算相应的匹配电感值，并将此理论应用于超声果蔬清洗机上。.........

7、.第2章换能器电端匹配模型研究2.1引言换能器是任何超声系统的主要组成部分。针对目前市场上换能器的多样性和电端匹配对于功率输出换能器的重要影响，本章主要针对压电陶瓷换能器的电端匹配电路进行研究分析。本章基于换能器的等效电路模型，剖析换能器在谐振频率处的电阻抗特性。分析换能器参数改变情况下匹配参数的改变规律。基于MATLAB/Simulink仿真平台，观察换能器参数和匹配参数的改变对换能器两端电压电流相位差的影响，为动态匹配方案的设计提供理论依据。..........2.2换能器的电阻抗特性本论文的研究对

8、象是35kHz的压电陶瓷换能器，能够满足大多数功率超声系统的要求，其实物图如图2-1所示：将表2-1中换能器的参数值带入公式（2-5），可知其结果为一负角度，即相位差为负角度，换能器整体呈容性。由之前的分析可知，超声发生器产生直接加载到换能器两端时，由于换能器的容性特性，必然产生很大的无功损耗，能量转换效率下降。不仅振幅会有大幅度下降，而且还会导致换能器严重发热等现象，对设备具有相当大的影响。在信号发生器和换能器之间加载匹配网络可以避免这类