基于最小电压法的超声换能器谐振频率自动跟踪*

首先分析了最大电流法跟踪超声换能器谐振频率的原理及应用范围。研究了基于由串联电感和并联电容匹配电路下,不同频率时换能器两端电压电流的变化规律。研究表明在串联电感和并联电容匹配电路下发生谐振时,换能器两端的电压最小而电流并非最大。由此形成了采用最小电压法跟踪谐振频率的自动跟踪策略,并给出了该方法的具体实施步骤。论文研究结果为换能器谐振频率的自动跟踪方法提供了新的选择。     

超声换能器并联谐振频率的复合式跟踪方法研究

为了使超声换能器适应变化比较剧烈的负载,本文通过分析超声换能器在并联谐振频率附近工作时的频率特性和实际需求特点,利用变压器初级匹配方法得到了更好的频率特性,并对比了换能器空载和带负荷情况下的阻抗特性曲线,提出了复合式自动频率跟踪方法,空载时找到超声换能器最小电流的对应的频率点,加载过程中利用比例积分微分算法实现频率的快速跟踪。并对超声换能器在不同负载时的功率输出进行了实验,结果表明,复合式频率跟踪方法可以稳定地跟踪到超声换能器的并联谐振频率,能实现超声换能器的功率自调节,对提高换能器的工作效率和负荷适应能力具有实际的指导意义和应用价值。     

聚苯硫醚材料复合棒型换能器

本文选择了高聚物中杨氏模量较大、损耗较小的聚苯硫醚作为复合棒型换能器的前盖板。计算了聚苯硫醚棒中的纵波传播速度,研究了基于聚苯硫醚材料的复合棒型换能器的等效电路设计方法。利用有限元方法计算了换能器谐振频率、轴向应变分布、平均耗散功率等性能参数。对本文研制的前盖板为聚苯硫醚、后盖板为钢(1#)和前后盖板均为聚苯硫醚(2#)的两个换能器进行了测试。结果表明,理论计算的谐振频率与实验测试相吻合;两个换能器的振幅均与所施加的电压成正比,且1#换能器的振幅电压比更大;两个换能器的耗散功率与外加电压平方成正比,在应变较大处耗散功率较高,导致局部升温明显,测得两个换能器温度最高处均位于应变最大位置处。1#换能器的前后振幅比为26,与同频率的金属组件换能器相比,若后盖板为尺寸相同的钢材,前盖板采用聚苯硫醚材料能够显著提高换能器的前后振幅比,且带宽也较大。      

超声焊接全状态频率跟踪算法*

与超声塑料焊接相比，超声金属焊接负载重且变化剧烈，容易导致换能器出现无阻性点状态或者频率误跟踪。现有的频率跟踪方法往往只能在换能器有阻性点的状态下正常工作，在出现误跟踪时也无法自动复位。针对上述问题，本文基于梅森等效电路，推导出一种能够同时适配于谐振频率与反谐振频率，能够自行判断是否误跟踪频率跟踪算法。当换能器处于无阻性点状态时，算法将自动把跟踪目标变为相位差最小点，实现全状态频率跟踪。算法利用三个不同频率及其发波时换能器的电压电流相位进行计算，以此算出理想的频率跟踪步长和方向。最后通过MATLAB对算法进行仿真，验证算法在目标频率发生非线性变化时频率跟踪的效果。结果表明，新算法能够实现误跟踪的自复位和全状态频率跟踪，同时能在启动后10ms以内完成频率跟踪，跟踪精度达0.1hz。     

压电陶瓷非线性对大功率换能器结构参数匹配 影响的计算分析

在Guyomar非线性模型基础上,通过机电等效法将晶堆前向负载作为等效质量和阻尼加入振动方程的质量项和阻尼项,推导了换能器振速、辐射声压级和谐振频率偏移率等表达式,计算分析了压电陶瓷非线性参数和结构参数对换能器声辐射性能的影响,研究了压电陶瓷的非线性对换能器结构参数匹配的影响。结果表明,换能器节面靠前,前盖板厚度越小,前盖板大径越小,都可以减少压电陶瓷非线性引起的换能器频率偏移。当设计频率确定时,压电陶瓷处于非线性工作域的换能器的结构参数有所减小。换能器加入辐射端匹配后,可以改善压电晶堆前向负载匹配,降低换能器的谐振频率偏移率。换能器激励电流也会出现频率偏移现象。在提高换能器激励电压时,换能器的结构参数应适当减小。得到的结论可为换能器设计提供理论依据和帮助。     

基于单片机控制的超声波换能器设计与实现

为了提高超声波换能器电源的智能性和通用性,本文提出了一套以高性能ds PIC30F4011单片机为控制核心的换能器电源解决方案,并进行了相关的软硬件设计。该方案基于键盘输入选择标称频率拓宽了换能器的标称频率选型范围;基于最大电流法检测谐振点设定最佳频率保证了换能器电声转换的高效性;基于电压反馈检测调整输出电压和保持换能器的功率稳定,主要检测过程采用软件实现。实验结果证明采用该方案的超声波换能器电源具有现实可行性。     

弹光调制器动态参数测量与高效驱动匹配研究

为了提高弹光调制器（photoelastic modulator,PEM）的驱动效率,提出了一种基于PEM动态参数测量的阻抗匹配参数计算方法。理论分析了PEM调制幅度与驱动电压大小的关系,建立了PEM及其谐振匹配网络的等效电路模型,在此基础上推导了PEM谐振驱动电压与各个参数的关系,并设计了针对PEM动态测试的测量系统与验证方法。对谐振频率为44.822 kHz的PEM进行各项特性曲线的理论仿真与试验比较,验证了动态测量系统的可靠性,并通过数值仿真得到PEM最优匹配参数。在最优匹配参数附近选取不同匹配参数,测量实际谐振驱动电压,测量结果与仿真曲线相关性达0.996 4,变化趋势在10μF前基本吻合,且在理论最优匹配参数下,实际谐振驱动电压峰值达510 V,优于其他驱动匹配方法,接近理论最大值,相对误差小于1.16%。通过PEM等效动态参数推算的最优匹配参数,可使PEM达到最大驱动效率。     

声速测定实验谐振频率测量研究

在声速测定实验中,接收换能器位置对谐振频率测量结果有一定影响。目前,对这种影响的研究较少。研究接收换能器输出电压随接收换能器位置的变化,发现当两个换能器间距较小时,不同频率下的输出电压极大值的位置是聚集的,随着换能器间距的增加该位置逐渐发散。当换能器间距较小且接收换能器处于干涉极小值位置时,谐振频率测量不受共振干涉的影响。     

外接LC电路的可调压电换能器的频率特性

压电换能器往往因受到温度与负载的影响,导致其谐振频率、反谐振频率和机械品质因数等特征参数发生变化。通过在压电换能器中设计用于调节的压电陶瓷片,并在调节压电陶瓷片两端外接电负载,可以实现压电换能器的频率调节,修正由于温度和负载导致的频率漂移。基于压电换能器的Mason等效电路,建立外接LC调节电路的压电换能器的谐振频率、反谐振频率模型,分析LC调节电路中调节电感对频率调节特性的影响;通过实验研究外接LC调节电路对可调压电换能器机械品质因数的影响,并验证调节电感对频率调节特性的影响。理论分析和实验研究的结果表明:随着调节电感的增大,调节电容对频率的调节灵敏度提高,可调压电换能器的频率调节宽度拓宽,但也会使压电换能器的机械品质因数降低。合理选择调节电感和调节电容能兼顾频率调节宽度和机械品质因数的要求。此研究可为后续自适应压电换能器的频率调节系统设计提供指导。      

磁致伸缩超声换能器阻抗匹配网络的设计*

根据磁致伸缩超声换能器的等效电路模型和阻抗匹配理论,该文设计了一种优化的型匹配网络。该网络具有调谐、变阻和滤波的功能,适用于工作在中低频超声频率范围内的磁致伸缩超声换能器系统的阻抗匹配。仿真和实验结果表明:接入该型阻抗匹配网络后,驱动电源与换能器之间实现了最大功率传输,换能器两端电信号的波形质量得到优化,换能器激励电流提升了40%。该研究可为大功率磁致伸缩超声换能器的应用提供技术支持。     

基于2-2型压电复合材料的新型宽频带径向振动超声换能器

本文提出了一种基于2-2型压电复合材料的新型宽频带径向振动超声换能器,它主要由内金属圆环和外压电陶瓷复合材料圆环组成.首先利用Newnham串并联理论和均匀场理论推导了2-2型压电复合材料的等效参数;其次利用解析法得到了金属圆环和径向极化压电复合陶瓷圆环径向振动的机电等效电路;最后得到了换能器的六端机电等效电路,从而得到了换能器的频率方程.接着分析了换能器共振频率和反共振频率以及有效机电耦合系数与几何尺寸、两相体积占比的关系,采用仿真软件对新型换能器的径向振动进行了数值模拟.结果表明,利用解析法得到的共振频率和反共振频率与数值模拟结果吻合较好.此外,对换能器在水下的辐射声场进行了仿真研究,结果表明新型复合材料径向换能器相比传统纯陶瓷径向换能器,发射电压响应幅值更大,工作带宽提高接近一倍,声匹配更佳.     

A KLM-circuit model of a multi-layer transducer for acoustic bladder volume measurements

In a preceding study a new technique to non-invasively measure the bladder volume on the basis of non-linear wave propagation was validated. It was shown that the harmonic level generated at the posterior bladder wall increases for larger bladder volumes. A dedicated transducer is needed to further verify and implement this approach. This transducer must be capable of both transmission of high-pressure waves at fundamental frequency and reception of up to the third harmonic. For this purpose, a multi-layer transducer was constructed using a single element PZT transducer for transmission and a PVDF top-layer for reception. To determine feasibility of the multi-layer concept for bladder volume measurements, and to ensure optimal performance, an equivalent mathematical model on the basis of KLM-circuit modeling was generated. This model was obtained in two subsequent steps. Firstly, the PZT transducer was modeled without PVDF-layer attached by means of matching the model with the measured electrical input impedance. It was validated using pulse-echo measurements. Secondly, the model was extended with the PVDF-layer. The total model was validated by considering the PVDF-layer as a hydrophone on the PZT transducer surface and comparing the measured and simulated PVDF responses on a wave transmitted by the PZT transducer. The obtained results indicated that a valid model for the multi-layer transducer was constructed. The model showed feasibility of the multi-layer concept for bladder volume measurements. It also allowed for further optimization with respect to electrical matching and transmit waveform. Additionally, the model demonstrated the effect of mechanical loading of the PVDF-layer on the PZT transducer.     

Bonding and impedance matching of acoustic transducers using silver epoxy

Silver epoxy was selected to bond transducer plates on glass substrates. The properties and thickness of the bonding medium affect the electrical input impedance of the transducer. Thus, the thickness of the silver epoxy bonding layer was used as a design parameter to optimize the structure for the transducer input impedance to match the 50 Ω output impedance of most radio frequency (RF) generators. Simulation and experimental results show that nearly perfect matching is achieved without using any matching circuit. At the matching condition, the transducer operates at a frequency band a little bit below the half-wavelength resonant frequency of the piezoelectric plate. In experiments, lead titanate (PT) piezoelectric plates were employed. Both full-size, 11.5 mm × 2 mm × 0.4 mm, and half-size, 5.75 mm × 2 mm × 0.4 mm, can be well matched using optimal silver epoxy thickness. The transducer assemblies demonstrate high efficiency. The conversion loss from electrical power to acoustic power in soda-lime glass is 4.3 dB. This loss is low considering the fact that the transducers operate at off-resonance by 12%. With proper choice of silver epoxy thickness, the transducer can be matched at the fundamental, the 3rd and 5th harmonic frequencies. This leads to the possible realization of triple-band transducers. Reliability was assessed with thermal cycling test according to Telcordia GR-468-Core recommendation. Of the 30 transducer assemblies tested, none broke until 2900 cycles and 27 have sustained beyond 4050 cycles.     

频率自动跟踪超声波电源设计

针对超声波电源工作时负载状态改变,换能系统产生谐振漂移的问题,提出了一种基于STM32的频率自动跟踪超声波电源的设计。电源逆变电路采用带辅助网络的全桥结构,阻抗匹配电路选择了一种改进型的T型匹配网络,应用PWM移相调功技术控制电源的输出功率,通过数字鉴相技术得到电压电流的相位差作为电路谐振状态的反馈信号,结合STM32主控制器进行PI控制,调节PWM波的输出频率使电路始终工作于谐振状态,实现了谐振频率的自动跟踪。最后基于该设计方案,实际制作了一款应用于超声波清洗仪的电源,并通过实验验证了该电源具有输出功率稳定,负载适应性强,输出频率自动跟踪等特点。     

压电瞬态响应在换能器声功率测量中的应用

探索一种简便的聚焦超声功率测量方法,利用压电陶瓷片直接接收超声信号,通过机电类比得到压电瞬态响应由压电片在声波作用力下引起受迫振动产生的电压响应与固有振动产生的高频衰减响应叠加而成,分析输出压电信号与换能器声功率之间的换算关系。对输出压电信号进行二次包络提取,获得表征声功率变化的电压幅度曲线,分别找出不同换能器驱动电压下包络曲线的最大峰值电压,将其平方值与声功率计所测声功率进行线性拟合,并对理论关系式中的比例系数进行标定。实验结果所得线性拟合度较高,且标定后所得声功率与声功率计所测值相对误差低于8.7%,证明了通过压电瞬态响应测量换能器声功率具有可行性。