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。     

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。     

基于单片机的超声冲击装置频率跟踪控制和恒幅控制

对超声波冲击以提高焊接接头疲劳强度的装置进行了研究，研制出一台可用于实际冲击处理的样机。该样机以单片机为核心，采用自适应带通滤波器提取超声换能器工作的基波信号，在此基础上获得电流和电压的相位差，根据相位差用模糊控制方法来实现自动频率跟踪；通过电流控制执行机构的输出端振幅，使之恒定不变，对超声冲击处理的质量进行控制。该装置能够适应超声冲击这种负载变化十分剧烈的场合，并可实现准确的频率跟踪和保证冲击处理的质量及效率。     

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。     

一种直接测量压电换能器串联谐振频率和并联谐振频率的新方法

本文提出了一种利用补偿原理直接测量压电换能器串联谐振频率fs和并联谐振频率fP的新方法一补偿法。在这种方法测量原理的基础上，进行了实际测量，并设计了一种实用的测量电路。采用此方法测量的测量结果与电桥法的结果相符得很好。     

基于改进PSO的超声雾化电源频率跟踪研究*

超声波雾化技术由于其良好的雾化效果获得了广泛关注，具有极大的研究价值和应用前景。但是在超声雾化的过程中，由于换能器的温度变化、刚度变化以及在水中的负载变化等因素，会产生谐振频率漂移的现象。当工作频率偏移谐振频率时，将造成换能器的工作效率降低和元器件损坏等问题。针对此问题，设计了基于改进粒子群算法优化PID参数的超声雾化电源频率跟踪算法，并对该算法进行频率跟踪的仿真验证和实验对比，在频率跟踪上实现了更好的效果，使换能器能够稳定工作在谐振状态，提高了电源的利用率。     

一种新型宽带吸收频率选择表面

提出了一种新型的频率选择表面, 该结构具有良好的高频透射性能和较低频带的宽带吸收性能。吸收频率选择表面结构由有损层和带通层组成。通过等效电路法的分析, 有损层应该在通带内产生并联谐振, 因此给出了具体的等效电路模型并在ADS中进行了验证。在有损层的设计中, 在金属交叉贴片中加载两个电阻使其分为两部分实现了并联谐振。带通层利用无损耗槽型频率选择表面实现。仿真结果表明, 在12.75GHz时只有0.7dB的插入损耗, 并且实现了4.8GHz到11.2GHz的宽带吸收。最后, 制作了实物并进行了测试, 实验结果与仿真结果吻合得很好。     

基于压电换能器谐振网络幅频特性的频率跟踪技术

本文分析了压电换能器谐振网络的幅频特性,介绍了利用该特性进行频率跟踪的实现方法,并对眼科白内障超声乳化仪中的超声手柄进行了频率跟踪实验。实验研究表明利用谐振网络的幅频特性,对超声振动系统进行频率跟踪是一种简单、有效、可行的方案。     

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。     

Analysis of the sandwich piezoelectric ultrasonic transducer in coupled vibration

The coupled vibration of the sandwich piezoelectric transducer with a large cross-section is analyzed using an approximate analytic method. The resonance frequency equations of the transducer are derived and the effect of the geometrical dimensions on the resonance frequency is studied. It is illustrated that when the radial vibration in the transducer is considered, the vibration of the sandwich transducer becomes more complex. Apart from the longitudinal resonance frequency, the radial resonance frequency can also be obtained. For comparison, numerical methods are also used to simulate the coupled vibration; the resonance frequency and the vibrational displacement distribution are computed. Compared with one-dimensional longitudinal theory, the radial dimensions of the transducer are no longer limited because the coupled vibration is considered. Compared with numerical methods, the physical meaning of the analytic method is concise. It is illustrated that the resonance frequencies obtained from the coupled resonance frequency equations are in good agreement with those from numerical methods, and they are in better agreement with the measured results than those from one-dimensional theory. Since the radial and the coupled vibration are considered in the analysis, more resonance frequencies can be obtained. Therefore, using the coupled resonance frequency equations, the sandwich transducer with multifrequency or wide frequency bandwidth can be designed and used in ultrasonic cleaning, ultrasonic sonochemistry and other applications.     

钹型换能器的优化设计*

本文研究的钹型换能器,是由一个压电陶瓷圆环和一个金属浅球壳组成。为了得到这种钹型换能器的解析解和它在不同介质中的机电性能。首先,根据前人得出的压电陶瓷圆环和金属浅球壳的理论模型,用等效电路法从理论上计算出了该换能器的共振频率并与仿真结果做了对比,发现二者近似吻合,验证了理论计算的可靠性,为这种钹型换能器的优化设计提供了理论指导。然后利用COMSOL Multiphysics分别模拟了压电陶瓷为圆盘和圆环的钹型换能器的共振频率,仿真结果表明：同等条件下,当圆环的外径和圆盘的半径相等时,压电陶瓷为圆环的钹型换能器共振频率更低,使其具有频率低、体积小的特点更加明显。利用数值方法,分析了钹型换能器的几何尺寸对其共振频率、反共振频率及有效机电耦合系数的影响。最后模拟了钹型换能器在水中的机电特性及声压分布。     

铁镓单晶Janus-Helmholtz换能器

针对深水、低频、宽带换能器的技术需求,结合Janus-Helmholtz换能器的结构特点和铁镓单晶材料低场应变大及机械强度高的特性,提出了铁镓单晶Janus-Helmholtz换能器设计方案。采用永磁偏磁场和环形闭合磁路,建立了一系列铁镓单晶磁致伸缩换能器理论分析模型,包括对磁致伸缩材料参数进行线性化处理,设计了换能器最佳工作点,结合静态磁场和动态磁场分布情况分段细化换能器驱动等效参数,以及利用全阻抗模型通过电感损耗等效计算换能器静态阻抗,然后通过二维有限元分析等效模型,优化分析了换能器的结构参数与电声性能。最后制作了换能器样机,并进行了测试与分析。对比仿真和测试结果表明:全阻抗模型得到的阻抗曲线与样机测试结果相一致,有限元等效模型计算的发送电流响应与样机测试结果良好吻合。换能器样机水中谐振基频为1000 Hz,谐振频率下发送电流响应176.4 dB;在875～2300 Hz频率范围内,发送电流响应起伏不大于6 dB;增加驱动电流有效值到16.2 A,最大声源级可以达到196.2 dB。     

弯张换能器尺寸与其同相振动谐振频率的关系

本文用有限元计算方法研究了弯张换能器各方向尺寸与其同相振动谐振频率之间的关系，得出以下结论：不一定所有尺寸的换能器都具有理想的同相振动模态；长、宽、高尺寸不变时，若换能器的壳体厚度值增大，则同相振动的谐振频率值随之增大；壳体厚度不变的情况下，减小长，宽、高中的任意一个参数时，其同相振动谐振频率将增高。     

Dynamic modeling of thickness-mode piezoelectric transducer using the block diagram approach

This paper aims to provide an alternative method to determine the characteristics of a piezoelectric transducer from measurement. A block diagram approach is proposed to analyze the dynamic characteristics of a thickness-mode piezoelectric transducer at its resonance frequency. Based on the feedback loop framework, the input-output relations of the electromechanical interaction of the transducer are described in terms of linear block diagram models. Furthermore, the closed-loop relations from external force to vibration velocity and electric current from generated voltage are easily found by Mason’s rule to characterize the equivalent mechanical admittance and electrical impedance, respectively. An example of a Langevin transducer with 28.15 kHz resonance frequency is illustrated for dynamics analysis. The frequency responses of the piezoelectric transducer, resulting from a force and current input, are respectively measured to identify the system parameters of the feedback model. The experimental results demonstrate the effectiveness of the proposed method.