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

1、前言 1第 1 章超声波清洗的原理与应用 31.1超声波清洗的原理 51.2超声波清洗的应用 51.2.1 超声波清洗的主要应用范围 61.2.2 通用超声波清洗机应用 81.2.3 专用超声波清洗机应用 101.2.4 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 121产生超声波的功率源电路 121.1声跟踪 131.1电跟踪 131.1.2阻抗电桥形式的动态反馈系统 141.1.2负载分压方式的反馈系统 151.1.2锁相式频率自动跟踪 171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 191匹配概述 191阻抗匹配 201.2工作磁通密度 B

2、 的选取 201.2要保证初级电感量足够大 211.2要考虑“集肤效应”的影响 211调谐匹配 231关于匹配电感的设计 25结束语参考文献致谢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

3、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。关键词超声波，清洗，阻抗，发生器，换能器在市场经济的环境下，对产品质量要求越来越高。为保证产品质量，许多企业在产品生产过程中，将采用清洗工艺来提高产品质量，为企业创造良好的经济效益。当前在一些工业产品生产过程中，应用超声波清洗是一种洗净效果好，价格经济，有利于环保的清

4、洗工艺。超声波清洗机可以应用于清洗各式各样体形大小，形状复杂，清洁度要求高的许多工件。例如可用于清洗钟表零件、照相机零件、油咀油泵、汽车发动机零件、精密轴承零件、齿轮、活塞环、铳刀、锯片、宝石、医用注射器及各种光学镜头等；还可以用于清洗印制板、半导体晶片及器件、显象管内的精密零件、磁性元件、硅片、陶瓷晶片、插头座、焊片、电极引线等电子类产品。一种物件的清洗可以根据其污垢的性质，采用机械物理力清洗的方法或化学力清洗的方法，还可以用各种组合方法来进行清洗。若是用自来水或净水为清洗液的超声波清洗属物理力的清洗，若在清洗液中添加一些洗涤剂，则属于组合清洗，对不同的清洗对象选用不同的洗涤剂，更具有明显的

5、清洗效果。表0-1为几种清洗方法洗净效果比较。清洗方法剩余残留物%吹式清洗浸润式清洗8670蒸气式清洗65刷子清洗超声波清洗80-0.5表0-1为两种清洗方法洗净效果比较超声波清洗60-20V1020304050清法时间 min图0-1超声波清洗效果清洗作为一种古老而又新兴的活动和技术， 正日益引起人们的兴趣和关注.清洗是一门技术，是一个新兴的多学科技术领域。清洗行业量大而面广，无处不有，与人类社会生产，生活各方面息息相关.清洗技术的发展是人类文明的一个重要标志，清洗技术水平反映了一个人.一个民族、一个国家的文明进步程度和科学技术的发展水平。今后.清洗技术的发展将更加迅速.普及.大批的大专院校

6、.科研院所。 专业公司的科技人员将加入清洗技术研究开发队伍.一些现在存在的行业技术问题得到解决，行业总体技术水平大幅度提高.新技术.新产品大量涌现，各种新颖的清洗设备进入市场和人们的日常生活.人们将不再只是依靠经验来清洗.各种实用化的计算机软件将问世；行业分工更加专业、细致，行业标准和技术规范得到推广普及.行业管理规范有序.清洗行业的前景无限美好！80第1章超声波清洗的原理与应用1.1 超声波清洗的原理把液体故人清洗槽内，给槽内作用超声波。由于超声波与声波一样是一种疏密的振动波，介质的压力作交替变化。如果对液体中某一确定点进行观察，这点的压力如图2曲线A所示。以静压(一般一个大气压)为中心，产

7、生压力的增减，若依次增强超声波的强度，则压力振幅也随着增加，像图1-1曲线B那样，并产图1-1清洗槽内液体的某一点受压情况生负的压力。所谓负压，但实际上负的压力是不存在的，这是在液体中产生撕裂的力，且形成真空的空泡，并被后面的压缩力压挤而破灭。这种在声场作用下的振动，当声压达到超声波清洗一定值时，气泡将迅猛增长，然后又突然闭合，在气泡闭合时，由于液体间相互碰撞产生强大的冲击波，在其周围产生上千个大气压的压力。这也就是所说的“超声空化”。超声清洗就是利用了空化作用的冲击波，其清洗过程中由下列四个因素作用所引起。(1)因空泡破灭时产生强大的冲击波，污垢层在冲击波的作用下被剥离下来，即分散及脱落。(

8、2)因空化现象产生如图3a所示的气泡。由冲击形成的污垢层与表面之间的间隙和空隙渗透，由于这种小气泡与声压同步膨胀，收缩，产生像剥皮那样的物理力重复作用于污垢层，污垢一层层被剥开，如图3b所示，小气泡再继续向前推进,直到污垢层被剥下为止。这就是空化二次效应压力空化形成空化消失图1-2气泡的作用(3)超声清洗中清洗液的超声振动本身对清洗的作用力。例如：20kHz,2Wcm2的超声波在清洗液中传播时，它将引起质点的振动，位移幅度1.32lLm,速度0.16m/S,加速度为2.OdXIOdrnKsz,(约为2删g的重力加速度)，声压为1.45X105Pa这表明清洗物表面的污垢层每秒将遭到2万次的激烈冲

9、击。(4)清洗剂也溶解了污垢，产生乳化分散的化学力。超声清洗的主要原理是超声空化作用，要获得良好的清洗效果，合理选择清洗槽中声场的声学参数和清洗液的物理化学性质是十分重要的。既然空化是主要的，那么如何产生空化呢？一般来说，空化不仅由介质特性决定，而且也与声场有关。空化阂的高低受到许多因素制约，主要有如下几个因素：(1)空化阂与工作频率fa有关。频率越高，空化阂值越高，产生空化越难。气泡在声场的作用下将进行振动，但不一定发生崩溃(破灭)，只有当声波的频率低于气泡的谐振频率时才可能使气泡破灭，而当声波的频率高于气泡的谐振频率时，气泡只进行复杂的振动，一般不发生气泡破灭。(2)空化阂与介质中气泡半径

10、有关，半径越小，空化阂越高。(3)宝化阂与声波作用时间长短有关，声波幅射时间越长，空化闸越低。(4)空化阂与环境静压力有关，静压力越大，空化阂越高。(5)空化阂与介质的粘滞性有关，粘度大，表面张力大，空化阂高。(6)空化阂与液体含气量有关，含气量越少，空化阂越高。(7)空化阂与清洗液温度有关，清洗液温度升高，对空化有利。但清洗液温度过高时，气泡中蒸气压增大，因在气泡闭合期增强了缓冲作用而使空化减弱。而温度还与清洗液的溶解度有关。对于水清洗液较适宜的温度约为60Y。根据超声清洗的机理我们可选择最佳状态， 并得到最佳的清洗效果。 还应注意到选择最佳的声强。声强过高会产生大量气泡，在声波表面形成一道

11、屏障，使声波不易辐射到整个液体空间，因而在远离声源的地方，清洗作用减弱。同时过高的声强，气泡膨胀过大，以至于在声波压缩相内，气泡来不及闭合。声强一般选在1Wcm2-2Wcm2,对于一些金属表面氧化膜难于清洗的污垢，则应采用较高的声强。波清洗的应用1.2.1超声波清洗的主要应用范围：工业部门清洗产品分类可清除主要附着物主要清洗液电子、电气工业机器另部牛继电器、开关、印制电路板、电位器、真空管另件、半导体元件、硅片、电容器、照相机快门等。印制板油墨、焊料、油质防腐剂、石腊、磨料、染料。使用有机性清洗液、三氯乙烯、氟、乙醇、内酮。锈、氧货物、盐、手垢、尘土。碱性清洗液、中性、酸性清洗液、水。王石加工

12、、 钟表、光学、机械等精密工仪器、仪表、钟表字盘、另部件；齿轮、弓单簧、轴承、宝石、透镜、眼睛架、贵金属装饰品。涂料、喷漆、油脂、复合物、玻璃纤维有机性清洗液(三氯乙烯，氟溶液)。染料、塑料残留物。碱性清洗剂、中性清洗液。汽车业气门、点火栓、气化栓、燃料泵、蓄电池电极、活塞环、机器操纵盘另油、油脂、防腐剂、机械切屑、塑料残留物、研磨磨料、玻璃纤维、有机性清洗液(三氯乙烯等)、 轻油、碱性清洗液。件、摩托车和汽布油箱。尘埃、石墨、焦油。橡胶，业手套、带、轮胎、外科医用橡胶手套。指纹、 尘埃、 染料、 防腐剂、墨迹、塑料残留物、橡胶残渣。碱性、中性及酸性清洗液航空工业燃料油过滤器、燃料仪器、仪器仪

13、表、注入喷咀、流量控制设备、机械控制设备用的另件、水力、水压系列产品氧化物、尘土、切屑、油类、油脂、磨粉、防腐剂。有机清洗液、轻油。锈、碳、水垢焦油分离剂酸碱清洗液印刷业旋转机、金属板。墨迹、指纹、油、染料。轻油、有机性清洗液。公共事业、 电力、煤气、新闻通讯路灯、燃料油表、电力计、灯泡、软片、电传机、绝缘子。墨迹、油、尘土、纱屑、锈、泥、接触海水的盐分。有机性清洗剂、轻油、酸碱性清洗液原子能工业控制棒、燃料泵、铝管类、容器、玻璃、分析试料。放射能量粒子、尘埃、硅油、油脂碱性、中性清洗液、纯水。有机性清洗液、乙醇、丙酮等医疗注射器、手术机械、吸量管、玻璃容器、食道镰、内科机械、直肠镰、方向镜、

14、显微镜用试料玻璃。血液、凝胶体、指纹、料理物残留物、蛋白（卵白）、混入血液中的污垢。碱性、中性清洗液、纯水。机械工具丝杆、喷咀、齿轮、夹具、固定装置用附件、弹簧、气门、游标卡尺等工量具。磨料、铁屑、防锈剂、复合物、切削油、冷却油、研磨油。有机清洗液、复合剂、氟溶剂、轻油、乙醇系列。尘土、抛光、氧化物。碱性、中性清洗液。通用超声波清洗机超声波清洗机的结构一般有超声电源和清洗器合为一体或分开布局两种形式，一般小功率(200W以下)清洗机用一体式结构， 而大功率清洗机采用分体式结构。超声波清洗机分体式结构由三个主要部分组成，如图1-3所示。图1-3分体式超声波清洗器(1)清洗缸；(2)超声波发生器；

15、(3)超声波换能器；清洗缸：清洗缸是用来装载清洗液及被清洗工件的不锈钢容器，大多数工件可先装在网状框架内，再一起放人缸内清洗。超声波发生器：超声清洗机用的超声波发生器，从使用的元器件种类可以分电子管式的，可控硅式的和晶体管式的。近几年来已经发展到用大功率“功率模块”的方式。具输出功率从几十瓦直到几千瓦，工作频率从15kH40kHzo超声清洗机用的超声波发生器，有以下特点：(1)随着清洗液深度不同，换能器共振频率和阻抗变化很大。但是实践表明，槽内放进适量清洗物后，基本上就可以稳定在某一定数值上。(2)一般来说，由于清洗负载变动较小，可以不要求复杂的频率自动跟踪电路。(3)实用超声波发生器，大多数

16、采用大功率自激式反馈振荡器。超声波换能器：超声波清洗机用的换能器主要有以下几种：磁致伸缩换能器国内用的磁致伸缩换能器大多数是用锲片叠成的窗口型换能器，将它银焊在清洗缸底部，然后用导线在窗口上绕一定卷数而成。此种换能器能承受较大功率，且可靠性好，使用寿命长。缺点为效率较压电换能器低，原材料锲片价格贵。压电式换能器目前国内外大多数超声波清洗机用的是压电式换能器，勘L形结构如图1-4。这种换能器一般有两片压电陶瓷晶片组成。一台清洗机用多个换能器，经粘接剂粘接在清洗缸底部且经并联联接组成一台清洗机的换能器。换能器基元之间距（对于频率20kH4一般在5-10mm为佳，太大了容易产生弯曲振动，且振动板受到

17、腐蚀，同时辐射面相对减少。通用超声清洗机清洗零件适用性强，已广泛应用于电子、钟表、光学、机械、汽车、航空、原子能工业、医疗器械等许多行业。专用超声波清洗机一般安装在某些特定物件清洗的生产流水线上磨制一舞TJ单青洗一后“肆一风刀攻男一战风就干一冷风一出疆图图6软磁器件专用超声波清洗设备软磁器件专用超声波清洗设备图6为典型的软磁器件超声波清洗设备，被清洗物件从进料口可传动的不锈钢专用网带送人超声波清洗槽清洗，再经喷淋、烘干等工序后出料，实现被清洗物件可直接包装入库。各工序简要说明如下：进料：物件进料可采用半自动进料或出料：物件出料可采用自动收料或手工收料方式，格被清洗物件装入包装盒内。通过上述工序

18、就完成了物件实现利用超声波清洗的全过程。37 浸没式换能圈超声波清洗机应用于电镀前处理利用超声波在液体中产生的空化效应，可以清洗掉工件表面沾附的油污,配合适当的清洗剂，可以迅速地对工件表面实现高清洁度的处理。电镀工艺，对工件表面清洁度要求较高，而超声波清洗技术是能达到此要求的理想技术。利用超声波清洗技术，可以替代溶剂清洗油污；可以替代电解除油；可以替代强酸浸蚀去除碳钢及低合金钢表面的铁锈及氧化皮。超声波清洗技术的应用，可以使许多传统的清洗工艺得到简化，并大大提高清洗质量和生产效率。特别是对那些形状较为复杂、 边角要求较高的工件更具有优越性。 利用超声波清洗技术， 还可以在很大的范围内替代强酸、

19、强碱的作用，大大减少对和环境的污染，并改善工人的劳动环境，降低劳动强度，对保护生态环境，作出贡献。对几种常见的工件表面状况，用超声波清洗工艺情况简介:1、抛光件表面抛光膏的清洗。般情况下，抛光膏常常采用石蜡调合，石蜡分子量大，熔点较高，常温下呈固态，是较难清洗的物质，传统的办法是采用有机溶剂清洗或高温碱水煮洗有许多弊病。采用超声波清洗则可使用水基清洗剂，在中温条件下，几分钟内将工件表面彻底清洗干净，常用工艺流程是：浸泡一超声波清洗一清水（净水）漂洗。2、表面有油及少量锈的冷轧钢板。冷轧钢板表面一般有油、污或少量铁锈，要洗干净比较容易，但经一般方法清洗后，工件表面仍残留一层非常细薄的浮灰， 影响

20、后续加工质量， 有时不得不再采用强酸浸泡的办法去除这层浮灰。而采用超声波清洗并适当的清洗液，可方便快捷地实现工件表面彻底清洁，并使工件表面具有较高的活性，有时甚至可以免去电镀前酸浸活化工序03、表面有氧化皮和黄锈的工件。传统的办法是采用盐酸或硫酸浸泡清洗。如采用超声波综合处理技术，可以快捷地在几分钟内同时去除工件表面的油、锈、并避免了因强酸清洗伴随产生的氢脆问题。综上所述，超声波清洗技术在电镀等行业中会有很广泛的应用前景。近年来诸多电镀厂商采用无锡美洁超声波清洗技术设备，替代电镀线原有的酸碱处理工位获得成功，使电镀件质量及产量较原来有更大提高，并改善了生产环境，取得了良好的经济效益和社会效益。

21、第2章超声波发生器与换能器的概述产生超声波的功率源电路超声波功率源（或称发生器）是一种用于产生并向超声换能器提供超声能量的装置。超声波发生器就其激励方式有两种：一种是他激式.另一种是自激式。如果按末级功放管所采用的器件类型分，又可分四种：电子管式超声发生器；可控硅逆变式超声发生器；晶体管式超声发生器及功率模块超声发生器。电子管式与可控硅逆变式目前基本已淘汰，当前广泛使用的是晶体管式发生器。他激式超声发生器主要包括两部分，前级是振荡器，后级是放大器。一般通过输出变压器耦合，把超声能量加到换能器上。而自激式超声发生器是把振荡、功放、输出变压器及换能器集为一体，形成一闭环回路，回路在满足幅度、相位反

22、馈条件，组成一个有功率放大的振荡器。并谐振于换能器的机械共振频率上。所谓谐振问题就是要求发生器的输出信号频率能对在工作中变化的换能器谐振频率进行跟踪，也即称频率自动跟踪。目前常用的频率自动跟踪大致有以下几种方法：声跟踪以声耦合方式，从换能器上采集谐振频率的电讯号，然后反馈至前级放大器，使形成自激振荡器。其原理框图如图2-1所示。图2-1声跟踪超声波发生器原理框图由图8看出，电路是个闭环系统，电路在通电的瞬间产生一个冲击脉冲，此脉冲经预放、功放去激励换能器，换能器按自身固有频率振动。从而在反馈的声接收器上可得到相同频率的电讯号。经过电路的移相、选频、预放及功放再去激励换能器，如果满足振荡器的相位

23、，幅度条件，系统将自激振荡，且振荡频率跟踪在换能器的共振频率上。电跟踪所谓“电跟踪”又称反馈自激式振荡器。大致有以下几种形式阻抗电桥形式的动态反馈系统阻抗电桥形式的动态反馈系统组成的频率自动跟踪电路其原理如下；它是利用电桥平衡原理补偿换能器电学臂的无功与有功分量，借助于差动变量器提取与换能器机械臂振荡电流成正比的反馈电压，使闭环系统在换能器机械共振频率上自振。本方法对换能器电参数的补偿有可能做到与频率无关，因而在较宽频段内跟踪良好。图2-2差动变量器桥式自动频率跟踪电路图图2-2中Tf为差动变量器，正反馈电压Uf,由次级绕组W3引出；初级绕组W1W2与阻抗Z1、Z2构成电桥四臂，Z1为换能器阻

24、抗（它由机械臂阻抗Zm和电学臂阻抗Ze并联而成），Z2为补偿元件的阻抗。Z3用于补偿电桥的电抗。设ZmZe则Z1=Ze。显然，如满足条件W1I1=W2I2（W1W为初级的匝数）,电桥获得平衡，Tf次级绕组反馈电压Uf=0o此平衡条件又可表为Z2/Ze=W2/W1X2/Xe=R2/Re=W2/W1=即式中Re/Xe分别为Ze和Z2的实部和虚部。系数n表示差动变量器初级绕组两部分的匝数比，它等于补偿元件阻抗与换能器电学臂之比。一般情况下，流经Zm的电流Im使电桥失去平衡，Tf次级绕组将感生出正比于换能器机械臂振荡电流Im的反馈电压Uf=Im（W1/W3）Rim式中Rim为振荡器的输入电阻。当系统的

25、自激频率fo=fr（换能器的机械共振频率）时，电流Im。将达最大值。系统反馈最强，Uf反馈电压最大，满足幅度条件，且Uf与Uin同相，也满足相位条件，系统自激在换能器机械共振频率上。 假如换能器的机械共振频率因某种因素减低了， 则fofr。 ， 负载Zm呈感性，Im的相角为负值，造成Uf滞后于Uin（原先的输入电压），系统振荡频率降低从而达到跟踪的目的。差动变量器桥式自动频率跟踪电路优点，在于其对换能器电抗成分的补偿与频率无关，从而保证反馈电压在很宽的频率段内只与机械振荡电流有关，跟踪可靠、失调较小.负载分压方式的反馈系统这种系统如图2-3所示， 图中的整个电路形成闭环迥路.电路在通电的瞬间产

26、生一个电脉冲，经功放加至换能器两端，于是换能器受激振动。其振动频率为换能器本身的固有频率，在换能器两端的振荡信号，经分压后送至可调移相器上，再送至功放。当可调移相器调至相位满足自激条件时，系统自激于换能器的固有频率上。换能器谐振频率的微小变化，电路系统均能及时跟踪使工作始终处于最佳状态。图2-3电压反馈振荡器锁相式频率自动跟踪锁相式频率自动跟踪系统与前两种自激系统相比，电路要复杂得多，但能获得较好的频率自动跟踪性能。因此在超声塑料焊接机的发生器中获得越来越广泛的应用。采用锁相技术进行频率自动跟踪的关键，是如何获得负载电路中电压与电流之间的相位差。压电换能器在谐振频率附近的等效电路如图2-4所示

27、。图中虚线框内为换能器等效回路。C0为换能器静态电容。RW机械阻反映到电端的阻（如果忽略机械损耗，即为反映到电端的辐射阻），Lm为动态等效质量反映到电端的值；Cm等效力顺反映到电端的动态电容值；Lo为换能器工作在谐振状态时的并联匹配电感。所能秸图2-4压电换能器等效简图该迥路的谐振频率2=1/LoCo=1/LmCm在谐振状态时，换能器两端电压U=iRm，即电压与电流是同相的。当换能器失谐时，u与i不再同相，其电抗与频率特性曲线如图2-5所示。图中cos为串联谐振频率。cop为并联谐振频率。图2-5谐振点附近电抗与频率特性图图2-6为串联谐振频率附近的相频特性。由图13可知，当cos时电路呈容性

28、，i超前u,相位差为负；当cos必p时电路呈感性，u超前i,相位差为正。当=cos时，电路呈纯阻特性，i电流与U电压同相位。因此，换能器两端的电压与流过换能器的电流，他们之间的相位差正负、大小，代表激励信号的频率与振动系统固有频率之间的关系。所以，若把电压、电流相位差信号取出，作为激励振动系统谐振频率变化的控制信号，达到频率跟踪的目的。这就是锁相式频率跟踪的基本原理。图2-6串联谐频附近的相频特性图2-7锁相式频率自动跟踪电路框图图2-7中由相位比较器、电压比较器、低通滤波器、压控振荡器、激励放大器，功率放大器、电流取样及电压取样等组成。这是一个闭环系统。但由于压控振荡器本身可以单独工作。所以

29、，本系统的开环亦能工作。开环时类似于他激式超声波发生器。这与自激式振荡器不一样。本系统利用了末级换能器上的电压和电流之间的相位差，经相位比较后，获得相位误差信号，再经低通滤波之后，去控制压控振荡器的输出信号的频率。使之保持与振动系统机械谐振频率一致。尽管频率与相位之间有依存变换关系， 但两者构成的反馈系统， 从控制结果看， 是不相同的。频率反馈结果，会导致使输入与输出信号之间的频率差尽可能小，而相位反馈结果使两信号之间相位差尽可能小。根据频率与相位所构成的微分一一积分关系，相位反馈系统最终导致两信号频率差为零。锁相式频率自动跟踪系统的锁相环路有专用集成电路，例如CD404舜。这里不再作详细介绍

30、，请参考有关集成电路数据手册及锁相环原理书籍。最后，我们总结一下。锁相式频率自动跟踪系统具有如下特点：(1)由于锁相环是一个极好的带通滤波器，因此，不会产生系统误跟到非谐振的其它频率之上；(2)频率自动跟踪系统的控制信号与取样的电压、电波波形之好坏，关系并不大；(3)输出功率相对较稳定。不会因为负载的变化而发生显著变化；(4)由于控制系统工作在小信号状态下，所以能长时间连续地工作。超声换能器的概述超声学是物理学的重要分支，超声换能器是超声学的核心部分。超声换能器有它自己独立的学科地位。超声学的内容涉及到：物理，化学、光学，波动学、电子学、数学以及信号处理等方面。超声换能器学科研究的方向是，研究

31、尽可能满足工程实用要求的声波阻抗、脉冲响应、频率响应、阻抗匹配、声学结构、换能材料及振动模式等特性，并设计和协调这些基本特性，达到电与声之间的最佳转换。重点研究压电现象、磁致伸缩现象及洛仑兹力三种机理。研究声学边界现象，如反射、折射和衍射，是超声换能器设计的中心环节。最后是超声换能器的应用问题。超声换能器是一门实用性很强的学科，应用领域广泛，从而增加了许多特殊研究内容。如在雷达、声纳中涉及色散信号处理功能，在医学超声、无损检测中涉及相控阵列和声成像能力，在通讯学中注重换能器的声学品质因索等。总之，超声换能器学科随着工积材料学与电子学的发展，它已经悄然成长起来，并对应用工程作出巨大的贡献。在我国

32、， 超声学也是一门较早受人注意的分支学科， 早在1952年， 就开展了超声探伤研究；1959年超声应用（探伤、加工、种子处理，显示、医疗、粉碎、乳化、染料等）取得了进展。在基础研究方百也有相当深度，如棒的声振动、超声乳化和水巾气泡的超声吸收问题，建立了分子声学实验设备，对弛豫吸收、悬浮体的声吸收进行了系列研究，建立了固体中超声哀减的测量设备，对粘弹性和可压缩流体的声速和衰减进行了深入研究。1996年开始研究了表面波换能器。1974年开始了高频表面波研究。1977年研制成衷面脉冲压缩滤波器。进入80年代，我国超声学面向实际应用。B超医疗探头开始投入生产。压电复合换能材料研制成功，窄脉冲短余振探头

33、问世；PVDF高分子压电薄膜材料赶上并超过国际水平，高分子压电PVDF型换能器和超声显微镜研究获得实用；高频压电材料LINBO3的研制成.功和走向实用等。总之，我国超声学、超声换能器的研究获得巨大的发展。第3章超声波发生器与换能器的匹配设计匹配概述超声波发生器与换能器匹配包括两个方面:一是通过匹配使发生器向换能器输出额定的电功率，这是由于发生器需要一个最佳的负载才能输出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成最佳负载，也即阻抗变换作用。二是通过匹配使发生器输出效率最高，这是由于换能器有静电抗的原因，造成工作频率上的输出电压和电流有一定相位差，从而使输出功率得不到期望的最大输出，使发生器输出效率降低，

34、因此在发生器输出端并上或用上一个相反的抗，使发生器负载为纯电阻，也即调谐作用。由此可见匹配的好坏直接影响着功率超声源的产生和效率。阻抗匹配为了使功率放大器输出额定功率最大；在电源电压给定条件下主要取决于负载阻抗。一般在D类开关型功放中其发生器变压器初级等效负载Rl上的输出功率表达式为:式中，VAm为等效负载上的基波幅度;2VAhl=v（乙一2七1Tvcc为电源电压；vces为功放管饱和压降，故为了保证系统有一定功率余量（因输出变压器，末级匹配回路及晶体管损耗电阻都有损耗，po需要乘上一个约等于1.4-1.5的系数。即输出功率po为1.5Po;从上式可知，在电源电压给定之后，输出功率的大小取决于

35、等效负载RL。目前大多数功率超声发生器的负载为压电型换能器，其阻抗约为几十欧姆至几百欧姆问，为了要达到要求的额定功率，因此需要对换能器负载RL进行阻抗变换。由高阻抗变换为低阻抗。一般常用的方法，通过输出变压器的初次级线圈的匝数比进行变换。变压器次初级匝数比为n/m,则输出功率PO时的初级电阻n(ym220V,VCES=10V,功率应留有一定余量，则PO=1.5PO=1500W。则变压器初级的立2(匕2匕”y2(220-一500X/R5O6.5Q若换能器谐振时等效电阻RL=200Q,则输出变压器次级/初级圈数比以上称谓阻抗变换，是通过输出变压器实行的。输出变压器是超声波发生器阻抗匹配、传输功率的

36、重要部件，它的设计与绕制工艺对发生器的工作安全是十分重要的。它不仅会以漏感、励磁电流等方式影响电路的工作，其漏感还是形成输出电压尖峰的主要原因。为此，在设计时，应选取具有高磁通密度B,高导磁率内高电阻率pc和低矫顽力Hc的高饱和材料作铁芯。一般在防止高频变压器的瞬态饱和时，在设计时要注意如下几点：3.2.1工作磁通密度B的选取铁芯材料的磁感应增量AB愈大，所需线圈匝数愈少，直流电阻R也愈小,从而线圈的铜损Pm也愈小。AB取得高时，传输的脉冲前沿就愈陡。因此，在设计变压器时，选取高磁通密度的材料作铁芯，这对降低变压器的损耗、减小体积和重量都是很有利的。为了避免在稳态或过渡过程中发生饱和，一般选取

37、工作磁通密度B15RL,其中RL为次级负载所算到初级边的等效电阻值，WLl为初级电感感抗， 若初级电感量太小， 励磁电流将比较大，励磁电流过大，变压器的损耗将增加，温升随之增高，从而降低Bs,使变压器进入饱和的可能性增大。要考虑“集肤效应”的影响在高频工作时，流过导线的电流会产生“集肤效应”。这相当于减少了导线有效截面积，增加了导线的电阻，从而引起导线的压降增大，导致变压器温度升高，结果增大了变压器进入饱和的危险性，建议采用小直径的多股导线并绕的方法。调谐匹配由于压电换能器有静电容Co,磁致伸缩换能器有静电感LO,在换能器谐振状态时，换能器上的电压VRL与电流IRL间存在着一相位角八具输出功率

38、PO=VRLIRLcos()。由于小的存在，输出功率达不到最大值。只有当(|)=0时，输出功率达最大值。因此为了使换能器上电压VRL与电流IRL同相(小=0)则必须在换能器上，并上或用上一个相抵消的抗。对于压电换能器而言，即并上或申上一个电感L0即可，而磁致伸缩换能器应并上或用上一个电容C0o压电换能器的阻抗或导纳等效电路如图3-1所示。在等效电路图中/9(/=式中R(f),X(f)为串联电阻和电抗；R(f),G(f),B(f)为并联电阻、电导和电纳。它们都是频率的函数。并联调谐和串联调谐电感量由下式确定:FIxg7xg-L1RH)*x( (介图3-1压电换能器的阻抗（串联）和导纳（并联）下面

39、我们比较一下两种调谐的差异，图3-13-2是一种换能器两种调谐计算曲线，由计算表明，有以下特点。1由于换能器的串联电抗比并联电抗小，故有L用L并。图3-2换能器在并联、串联调谐后的输入相角2并联调谐不改变换能器并联电导响应，而串联调谐后电导响应呈双峰，导纳圆图为二个重叠的圆一州 L0.40卫0-0.2-0.40.6-0.8/(kHz)图3-3换能器在并联调谐后的电导、3串联调谐的有功阻比并联调谐后有功阻小，即串联调谐可获得相对低的输入电阻。4从申、并联调谐的输入相角过零点情况看，作为宽带特性并联调谐优于申联调谐。5目前在功率超声中用串联调谐较多，除上述串联的特性外，还有当换能器负载有短路现象时

40、，因串联调谐有电感用在发生器输出回路中，不会使功放负载造成完全短路。在实际匹配电路调节中，有时要稍调获感性负载为好，对功放电路有利，有的末极功放发射极上用上一小电感可能也有好处。前面也曾提到，作为电压开关的D类功放，容性负载造成对高次谐波的短路作用，会给开关带来危险。但也要注意感性负载会使管子反峰电压增加。关于匹配电感的设计匹配电感通常就是铁蕊线圈的电感，其电感量可按下式计算。1r0.4奴/1乂L=；电纳响应曲线式中为线圈匝数，Sc为铁芯有效截面积(cm2)；lc铁芯平均磁路长度(cm)；仙e铁芯有效磁导率,-三=(工+牛】+小公4式中，小啾芯磁导率，lg铁芯中非磁致间隙长度(cm)；因为lg/lc1/厂,氏=（4/c）-1=4/4所以XIOTCH由此可见电感L与间隙lg近似成反比，调节lg间隙即可调节LQ设计电感有以下几个步骤；1按sc选铁芯VtsS尸寸4X1，式中V为输出电压有效值(V);f为工作频率(Hz);B为铁芯磁感应强度。一般选MXCH2000E型磁芯较多，匝数计算如下；Vs 匚汨甄X102计算磁芯间隙lg电=勺%X10-B3确定导线考虑到高次谐波和超声频率较高，顺计及高频电流的邻近效应和集肤效应的因素。当f10kHz时由邻近效应引起的交流电阻Rgq为其直流电阻Rd的210倍，铜耗pr也要比直流铜耗Pro增大同样