第卷第期年月压电与声光对。压电超声换能器的电端匹配电路及其分析林书玉张福成陕西师范大学应用声学研究所摘要本文分析了压电超声换能器的几种匹配电路及其匹配原理,推出了超声频电发生器与换能器之间的理想匹配条件,研究了电端匹配电路对换能器的谐振频率及其有效机电藕合系数的影响,所得结论为压电超声换能器匹配电路的设计提供了一定的理论依据。关键词压电,超声换能器,匹配电路,藕合系数一飞“￡,元士,宜五叭侧叭仇血力曲叨,留瓜,牡‘吕,,时引宜在超声的各种应用中,诸如超声探伤,超声测量以及各种各样的超声处理技术中‘,超声设备基本上由三个主要部分组成,即超声频电发生器、电端匹配电路及超声换能器。超声频电发生器提供一定频率及一定功率的超声频电能,电端匹配电路则保证超声频电能高效率的传输给换能器,而超声换能器则利用逆压电效应把超声频电能转变为机械的超声振动,在一定的区域产生超声波,以完成各种测量及处理过程。由于不同的应用需要不同的换能器,气因而用于不同场合换能器的性能,如频率特性、阻抗特性等本文年月日收到年也千差万别。为保证超声频电能有效地传输给压电超声换能器,必须在超声频电发生器与换能器之间设置匹配电路,用以改变换能器的有关参数使其满足电发生器的要求。匹配电路的加入将对换能器的振动特性有所影响,对于不同的电匹配电路,尽管都可以完成匹配功能,但其匹配原理及其对换能器的影响不同,本文将对上述几方面的内容进行研究。匹配电路的匹配原理及其作用超声频电发生器,匹配电路以及压电换能器三者之间的连结框图如图所示。其中。为换能器的输入阻抗。为换能器加匹配电路后的输入阻抗。为超声频电发生器的输出阻抗。换能器是一个抗性元件,其输入阻抗可表示为一夕,,经匹配电路后其阻抗变为。。声。,。与,的具体关系由匹配电路的种类决定。超声频电发生器的输出阻抗一般是纯阻性的,所以。。,根据电发生器的最大功率输出条件,可得理想匹配条件为。。。下面我们将根据上述条件对几种匹配电路的原理及性能进行分析与探讨。。。。尺。￡。。。‘。忿式中,。‘了。,了。为换能器的机械谐振频率。’之厂广一一一一一一门一,图变压器匹配电路由式及式得变压器匹配电路的匹酉己条件为。。一黝“·。。。。“。丑。。。。。“从上式可见,通过改变变压器初次级匝数及匹配电感的数值,可以实现理想匹配。然而由于变压器的匝数连续改变比较困难,因此变压器匹配电路很难达到理想匹配。但是后面的讨论将指出,这种匹配电路可以提高换能器的有效机电棍合系数。电感一电容匹配电路电路原理见图,和为匹配电感及电容,由上图可得压电匹配换能器。‘电络,,闷,。。戈二干面护了宇币灭“〔。。一。。。。。。‘“图超声波发生器原理框图。变压器匹配电路电路原理如图所示。其中,虚线部分表示压电超声换能器。是换能器的静态电容是等效电阻是匹配电感为匹配变压器托,、为变压器初次级匝数。换能器的输入阻抗可化为“〕‘。卜声‘一一一。一司图电感一电容匹配电路由式一可得理想匹配条件尺。。。。破。。“第期,么。。。曰““二石友两硕干乙么只纂簇十·,“‘,此时,输入回路的电品质因数山一餐〔一‘·,“〕由式一可见,改变匹配电路的参数及,可以实现理想匹配,此时匹配电感及电容一定,故回路的电品质因数,也随之确定,因此回路的频率特性及滤波特性也就不能改变。总之电感一电容匹配电路可以实现理想匹配,但不能改变回路的电品质因数,因此不能保证发生器所需要的频率及滤波性能。改进的电感一电容匹配电路为克服上述困难,可在上述匹配电路的基础上增加一个串联可变电容,改进的匹配电路能实现理想匹配,又能满足超声频电发生器所需的频率及滤波性能,如图所示。困由此可见,适当改变,‘及的大小,既一可以实现理想匹配,义可以改变回路的电品质因数,从而使回路的频率及滤波性能满足超声频电发生器的要求。从图一图可见,匹配电路也就是一个低通滤波器。与变压器匹配电路相比,电感一电容匹配电路中增加了一个与换能器相并联的电容,因此,电感一电容匹配电路的滤波性能优于变压器匹配电路的滤波性能。匹配电路对换能器振动特性的影响在上面的讨论中,我们假定换能器处于机械共振状...
