超声波换能器的匹配设计
超声波换能器声阻抗匹配
超声波换能器声阻抗匹配
超声波换能器声阻抗匹配是超声波应用中的重要问题。
在超声波传播过程中，声波会从一个介质到另一个介质中传播，这两个介质的声阻抗往往不同。
为了实现最大的能量传递和最小的能量反射，需要进行声阻抗匹配。
声阻抗是指声波在介质中传播时遇到的阻力，它是介质的密度和声速的乘积。
当声波从一个介质传播到另一个介质时，由于介质的声阻抗不同，会产生反射和透射。
如果两个介质的声阻抗不匹配，反射波会增加，透射波会减少，导致能量损失。
为了实现声阻抗的匹配，可以采用不同的方法。
一种常用的方法是使用耦合剂，将超声波换能器和被测物体之间的空气隙填充。
耦合剂可以是液体或者凝胶状物质，能够提高声波的传播效率，减少反射。
另一种常用的方法是使用匹配层。
匹配层是一种具有特殊声阻抗的材料，能够将超声波换能器的声阻抗与被测物体的声阻抗匹配。
匹配层通常是一种特殊的橡胶材料，具有与超声波换能器和被测物体相近的声阻抗。
通过使用匹配层，可以减少反射和能量损失，提高超声波的传播效率。
在实际应用中，超声波换能器的声阻抗匹配对于超声检测和成像的质量至关重要。
如果声阻抗不匹配，会导致信号衰减、图像模糊和
分辨率降低。
因此，声阻抗匹配是超声波应用中需要重视的问题。
超声波换能器声阻抗匹配是超声波应用中的重要问题。
通过合理选择耦合剂或使用匹配层，可以实现声阻抗的匹配，提高超声波的传播效率，从而获得更清晰、更准确的超声检测和成像结果。
这对于超声波应用的发展具有重要意义。
我们应该重视声阻抗匹配问题，不断研究和改进匹配技术，推动超声波应用的进一步发展。
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)
目录前言 (1)第1章超声波清洗的原理与应用 (3)1.1 超声波清洗的原理 (5)1.2 超声波清洗的应用 (5)1.2.1超声波清洗的主要应用范围 (6)1.2.2通用超声波清洗机应用 (8)1.2.3 专用超声波清洗机应用 (10)1.2.4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 (12)2.1 产生超声波的功率源电路 (12)2.1.1声跟踪 (13)2.1.2电跟踪 (13)2.1.2.1阻抗电桥形式的动态反馈系统 (14)2.1.2.2负载分压方式的反馈系统 (15)2.1.2.3锁相式频率自动跟踪 (17)2.2 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 (19)3.1 匹配概述 (19)3.2 阻抗匹配 (20)3.2.1工作磁通密度B的选取 (20)3.2.2 要保证初级电感量足够大 (21)3.2.3 要考虑“集肤效应”的影响 (21)3.3 调谐匹配 (23)3.4 关于匹配电感的设计 (25)结束语参考文献致谢摘要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。
超声波换能器起振条件
超声波换能器起振条件
超声波换能器（也称为超声波振荡器或超声波发生器）是一种将电能转换为机械振动能的装置，通常由压电陶瓷、磁致伸缩材料等构成。
它的起振条件取决于所使用的压电材料或磁致伸缩材料的特性。
对于压电超声波换能器，其起振条件通常包括以下几个方面：
1. 共振频率匹配：超声波换能器需要与其机械振动的共振频率匹配，才能有效地将电能转换为机械振动能。
因此，选择合适的驱动频率是确保超声波换能器正常起振的关键。
2. 合适的激励电压：在共振频率匹配的前提下，需要施加适当的激励电压以激发压电材料产生机械振动。
激励电压的大小通常由超声波换能器的设计和工作要求决定。
3. 机械质量和耦合效率：超声波换能器的机械质量和与其相连的负载的耦合效率也会影响起振条件。
较低的机械质量和较高的耦合效率有助于提高超声波换能器的起振性能。
对于磁致伸缩材料制成的超声波换能器，起振条件与压电材料的类似，但会涉及到磁场的作用和控制。
综上所述，确保超声波换能器正常起振的关键是选择合适的驱动频率、施加适当的激励电压，并考虑机械质量和耦合效率等因素。
压电超声换能器初级串联匹配新方法
压电超声换能器初级串联匹配新方法
压电超声换能器是一种将电能转换为机械能的装置，广泛应用于超声波清洗、超声波焊接、超声波探测等领域。
在压电超声换能器的应用中，电端匹配是非常重要的一环，直接影响到换能器的效率和性能。
传统的电端匹配方法是通过在换能器电端串联或并联电阻、电容或电感来实现的。
但是，这些方法存在一些问题，如匹配精度不高、调试复杂等。
为了解决这些问题，一些新的电端匹配方法被提出。
其中，一种新型的压电超声换能器初级串联匹配法被认为是一种有效的方法。
该方法通过在换能器初级串联一个合适的电容来实现电端匹配，具有匹配精度高、调试简单等优点。
该方法的原理是基于空芯变压器模型理论。
在压电超声换能器中，电场和磁场的作用是通过空芯变压器模型理论来描述的。
该理论认为，在一定的频率下，压电陶瓷的介电常数会发生变化，从而改变换能器的等效电容和等效电感。
通过在初级串联电容，可以调节换能器的等效电容和等效电感，从而实现电端匹配。
具体实现上，该方法需要选择合适的电容值，并进行实验验证。
通过调整电容值，可以使得换能器的阻抗在一定频率范围内与负载阻抗相匹配。
实验结果表明，该方法可以显著提高换能器的转换效率和输出功率。
总之，压电超声换能器初级串联匹配新方法是一种有效的电端匹配方法，具有匹配精度高、调试简单等优点。
通过该方法的应用，可以提高压电超声换能器的性能和效率，进一步推动超声技术的应用和发展。
超声波焊接机换能器的设计
超声波焊接机换能器的设计1. 引言超声波焊接技术是一种常用的非常规焊接方法，通过超声波振动将焊接接头加热至熔点，实现接头的焊接。
而超声波焊接机的核心部件就是换能器，它能将电能转换为机械能，产生高频振动，从而实现焊接。
本文将详细介绍超声波焊接机换能器的设计，包括换能器的原理、设计要求、材料选择、结构设计等方面的内容。
2. 换能器的原理超声波焊接机的换能器是一种能将电能转换为机械能的装置，其原理基于压电效应。
压电材料在电场的作用下会发生形变，而当施加的电场频率与材料固有频率相同时，形变达到最大值。
利用这个原理，换能器可以将电能转换为机械能，并产生高频振动。
3. 设计要求超声波焊接机换能器的设计需要满足以下几个基本要求：3.1 高效率换能器需要能够将输入的电能高效地转换为机械能，并将能量传递给焊接接头，以实现快速而稳定的焊接。
3.2 耐高温焊接过程中，换能器需要承受高温环境，因此需要选择能够在高温下保持稳定性能的材料。
3.3 高可靠性换能器需要具备良好的可靠性，能够长时间稳定工作，不易发生故障。
3.4 易于安装和维护换能器的结构设计应该简单，方便安装和维护，以提高使用效率。
4. 材料选择超声波焊接机换能器的材料选择是设计的关键之一。
常用的材料包括压电陶瓷、钛合金、不锈钢等。
4.1 压电陶瓷压电陶瓷是一种具有压电效应的陶瓷材料，具有良好的压电性能和高温稳定性。
常用的压电陶瓷材料有PZT（铅锆钛酸钡）和PZT-8等。
4.2 钛合金钛合金具有良好的机械性能和耐高温性能，适合用于超声波焊接机换能器的制作。
4.3 不锈钢不锈钢具有良好的耐腐蚀性和机械性能，也是一种常用的换能器材料。
5. 结构设计超声波焊接机换能器的结构设计需要考虑振动效果和焊接接头的适配性。
5.1 换能器头换能器头是换能器的核心部件，其形状和尺寸会影响焊接效果。
常见的换能器头形状有圆形、方形等，尺寸可以根据具体需求进行设计。
5.2 固定装置换能器需要通过固定装置固定在超声波焊接机上，以保证焊接过程中的稳定性。
超声波发生器与换能器的匹配设计
时间：2008-1-31 16:25:22来源：转载文号：大中小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，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，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。
中国超声波论坛二、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，式中，VAm 为等效负载上的基波幅度；vcc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间，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时的初级电阻举例：要求一发生器输出在换能器上的功率为1000W，设直流电VCC为220V，VCES=10V，功率应留有一定余量，则PO='=1500W。
则变压器初级的Ω若换能器谐振时等效电阻RL＝200Ω，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。
超声换能器及匹配电路
检测超声换能器
检测超声换能器是实现产生和接收超声信 号的主要器件.目前检测超声换能器主要是 利用压电材料制成的压电陶瓷超声换能器、 静电换能器以及电磁声换能器等.
电磁超声
F=I×B
图为一个传统的压电式超声检测用纵波直 探头.
静态匹配电路
55静态匹配电路静态匹配电路66电感电容匹配改进电感电容匹配t型匹配77比较比较串联电感匹配后的有功电阻小于并联匹配的有功电阻且串联匹配后所需的激励电压也小于并联匹配的激励电压
超声换能器及匹配电路超声波• 特性：方向性好强度大、对固体、液体 的穿透本领强
• 对介质的作用：机械作用、热作用、空化 作用
电感-电容匹配
改进电感电容匹配
T型匹配
比较
• 串联电感匹配后的有功电阻小于并联匹配的有功 电阻,且串联匹配后所需的激励电压也小于并联匹 配的激励电压.
• T型网络匹配,理论推导简单,不必测L1、C1的值; 且输出电阻较单个串联电感进一步减小,是一种更 好的匹配网络.
• 改进的电感-电容匹配比电感-电容匹配的可调节 参数(L、C)增多一可变电容Cd,且有功电阻也再进 一步减少,Qe也再进一步增大,滤波性能也再进一 步增加,是一种较理想的匹配.
超声波换能器的匹配设计
超声波换能器的匹配设计(总6页)--本页仅作为文档封面，使用时请直接删除即可----内页可以根据需求调整合适字体及大小--超声波换能器的匹配设计一、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，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，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。
二、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；vcc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间，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时的初级电阻举例：要求一发生器输出在换能器上的功率为1000W，设直流电VCC为220V，VCES=10V，功率应留有一定余量，则PO='=1500W。
则变压器初级的Ω若换能器谐振时等效电阻RL＝200Ω，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。
压电超声换能器初级串联匹配新方法
压电超声换能器初级串联匹配新方法压电超声换能器是一种能够将电能和声能进行转换的器件，它具有压电效应和声表面波效应。
压电超声换能器的应用非常广泛，包括医学影像、工业无损检测、汽车防撞系统等领域。
在许多应用中，将多个压电超声换能器进行串联匹配以获得更高的性能是非常重要的。
本文将介绍一种初级串联匹配的新方法，帮助读者更好地理解和应用压电超声换能器。
第一部分：压电超声换能器的基本原理1.1 压电效应我们来简单介绍一下压电效应。
压电效应是指某些晶体或陶瓷材料，在受到外力作用时会产生电荷分布不均，从而产生极化现象。
当外场施加在压电材料上时，材料中的正负电荷会发生重分布，产生一定的电势差和电场。
这样的材料被应用在换能器件中，当外界施加电场或者机械应力，就可以实现电能和声能的相互转换。
1.2 声表面波效应另外一个和压电超声换能器紧密相关的概念是声表面波效应。
声表面波是一种能够在固体表面上传播的超声波，它具有传播距离远、衰减小等特点，非常适合作为无线电频率的滤波器和延时线。
压电超声换能器利用声表面波效应，可以实现声波和电信号的高效转换。
第二部分：压电超声换能器串联匹配的传统方法2.1 串联匹配的重要性在实际应用中，通常需要将多个压电超声换能器进行串联匹配，以满足特定的电压、频率和功率要求。
串联匹配不仅可以提高整体换能器的工作性能，还能够实现更高灵敏度和更广泛的频率响应范围。
串联匹配是压电超声换能器设计中非常重要的一环。
2.2 传统的串联匹配方法在传统的压电超声换能器串联匹配方法中，通常需要通过复杂的电路设计和频率调节，以实现多个换能器的匹配。
这种方法需要大量的试验和调整，而且往往无法充分发挥每个换能器的性能，导致整体性能无法达到最优化。
第三部分：压电超声换能器初级串联匹配新方法3.1 方法原理为了解决传统串联匹配方法存在的问题，我们提出了一种初级串联匹配的新方法。
该方法基于多个压电超声换能器之间的物理特性差异，通过合理的电路设计和参数选择，实现了更加简单高效的匹配过程。
超声波换能器的匹配设计
超声波换能器的匹配设计一、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，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，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。
二、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，V Am为等效负载上的基波幅度；vcc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间，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时的初级电阻举例：要求一发生器输出在换能器上的功率为1000W，设直流电VCC为220V，VCES=10V，功率应留有一定余量，则PO=1.5PO'=1500W。
则变压器初级的若换能器谐振时等效电阻RL＝200Ω，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。
超声换能器的原理及设计
超声换能器的原理及设计
超声换能器是一种能够将电能转化为超声波能量的装置。
它的设计原理基于压电效应，即在某些晶体材料中，当施加电场时，会产生机械形变，反之，当施加机械压力时，也会在晶体上产生电压。
利用这种特性，超声换能器由一个薄片状的压电材料，通常是陶瓷或聚合物，在两侧分别附着上电极构成。
当电极上施加电压时，压电材料会膨胀和收缩，这种压力或运动会引起周围介质的压缩和稳定的振动。
这些振动将以超声波的形式在介质中传播，从而实现声能到电能的转换。
超声波频率和振幅的调节可以通过改变施加在超声换能器上的电压和电流来实现。
一般来说，频率越高，波长越短，超声波的穿透性能越低，但分辨率越高。
为了提高超声换能器的效率和性能，设计上考虑了很多因素。
首先，需要选择合适的压电材料，其特性应满足应用的要求，包括频率范围、灵敏度和稳定性等。
其次，需要设计适当的结构和尺寸，以实现最佳的转换效率和声束控制。
此外，还需要考虑超声波的耦合和阻抗匹配问题，以确保能量的传递和接收的效果。
总之，超声换能器基于压电效应实现电能到超声波能量的转换。
通过合理的材料选择和设计，可以获得高效、稳定和精确的超声波发射和接收装置。
超声换能器设计方案
超声换能器设计方案
超声换能器是一种将电能转化为声能的装置。
它是超声波传感器中的核心部件，常用于医疗、工业和民用领域。
超声换能器设计方案应充分考虑以下几个方面：
1.材料选择：超声换能器需要使用具有良好声波传导性能的材料，常用的材料有铅锆酸钛陶瓷、PZT陶瓷等。
选择合适的材料可以提高声能的转化效率。
2.结构设计：超声换能器通常由活塞、震荡平台和壳体组成。
活塞是将电能转化为声能的关键部件，应设计成能够有效振动的形状，并与震荡平台紧密连接，以提高振动的传导效率。
壳体应具备良好的密封性能和机械强度，以保护内部组件不受外界环境的影响。
3.电路设计：超声换能器需要与外部电源相连，电路设计应考虑电源适配、信号放大以及保护等方面。
合理设计电路可以提高超声换能器的工作效率和稳定性。
4.尺寸和频率选择：超声换能器的尺寸和频率选择应根据具体应用需求来确定。
如果需要通过物体进行穿透检测，通常选择低频超声换能器，尺寸较大。
而在医疗领域，常选择高频超声换能器，尺寸较小。
5.测试和验证：设计完成后，需要进行测试和验证。
测试可以通过测量声能的输出量来评估超声换能器的性能。
验证可以通
过实际应用场景中的测试来验证超声换能器的可靠性和稳定性。
总之，超声换能器设计方案需要综合考虑材料选择、结构设计、电路设计、尺寸和频率选择等多个方面。
通过合理的设计，可以提高超声换能器的性能和可靠性，满足具体应用需求。
超声波换能器阻抗匹配
超声波换能器阻抗匹配
超声波换能器的阻抗匹配是指将超声波发射器（或接收器）的阻抗与周围介质（如水或人体组织）的阻抗相匹配，以实现更高的能量传输效率和更好的信号接收质量。
在超声波应用中，阻抗匹配对于提高超声波系统的性能至关重要。
阻抗匹配的目标是最大化能量传输或信号接收，通常通过以下几种方式实现：
1.声阻抗匹配：超声波传感器的发射面通常与介质接触，声阻抗不匹配会导致反射。
为了减少反射，需要考虑超声波传感器与介质接触表面的声阻抗匹配。
通常可以通过合适的介质耦合剂或特殊设计的表面结构来实现。
2.电阻抗匹配：超声波传感器的电阻抗应该与电路中的其他元件（如放大器）匹配，以确保能量传输的高效率和最佳信号放大。
通常通过电路设计和匹配网络来实现电阻抗匹配。
3.波束阻抗匹配：超声波传感器的发射和接收波束的特性需要与介质的声阻抗相匹配，以最大程度地传播超声波信号并最小化反射。
这通常需要根据应用需求和介质特性进行适当的设计和优化。
4.匹配层设计：在超声波换能器的设计中，可以引入匹配层（matching layer），它位于超声波换能器的发射面和介质之间。
匹配层的设计旨在调节超声波的传播速度和阻抗，从而提高超声波信号的传输效率和接收质量。
综上所述，超声波换能器的阻抗匹配是通过声阻抗、电阻抗、波束阻抗和匹配层设计等方式来实现的，以提高能量传输效率和信号接收质量。
在超声波系统设计中，需要综合考虑各种因素，以实现最佳的阻抗匹配。
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超声波发生器与换能器的匹配设计 (2)
超声波发生器与换能器的匹配设计时间：2008-1-31 16:25:22来源：转载文号：大中小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，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，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。
中国超声波论坛二、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，式中，VAm 为等效负载上的基波幅度；vcc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间，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时的初级电阻举例：要求一发生器输出在换能器上的功率为1000W，设直流电VCC为220V，VCES=10V，功率应留有一定余量，则PO=1.5PO'=1500W。
则变压器初级的6.5Ω若换能器谐振时等效电阻RL＝200Ω，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。
超声换能器设计方案
设计方案：包括换能器的结构、材料、制造工艺等方面的设计
01
实验验证：通过实验验证设计方案的可行性和有效性
03
展望未来：分析超声换能器技术的发展趋势和挑战
05
性能指标：包括换能器的频率、功率、效率等方面的性能指标
02
成果应用：探讨设计方案在实际应用中的效果和前景
04
对未来研究方向和可能的改进进行展望
01
03
02
04
02
设计原理和方案
简述超声换能器的工作原理
超声换能器是一种将电能转化为机械能的设备，通过压电效应实现能量转换。
01
02
超声换能器主要由压电陶瓷、金属电极和匹配层组成，当在压电陶瓷上施加电压时，陶瓷会发生形变，从而产生机械振动。
03
超声换能器的工作频率通常在20kHz至10MHz之间，频率越高，产生的超声波波长越短，能量越集中。
设计方案：包括换能器结构、材料选择、制造工艺等方面
结构设计：根据应用场景和需求，选择合适的换能器形状和尺寸
分析设计方案的优势和不足
03
材料选择和加工工艺
探讨材料选择的原则和要点
材料性能：根据换能器的工作原理和性能要求，选择合适的材料
成本控制：在满足性能要求的前提下，选择成本较低的材料
01
02
加工工艺：根据材料的特性和加工工艺，选择易于加工的材料
04
仿真分析和实验验证
介绍使用仿真软件进行设计分析的流程和方法
建立仿真模型：根据实际需求和物理定律，建立仿真模型，包括几何模型、材料属性、边界条件等
优化设计方案：根据仿真结果，优化设计方案，提高性能和可靠性
确定仿真目标：明确仿真的目的和要求，如性能、结构、热传导等
超声波发生器与换能器的匹配设计
超声波发生器与换能器的匹配设计选自《近代超声原理与应用》袁易全主编作者：陈思忠一、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，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，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。
二、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；vcc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间，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时的初级电阻举例：要求一发生器输出在换能器上的功率为1000W，设直流电VCC为220V，VCES=10V，功率应留有一定余量，则PO=1.5PO'=1500W。
则变压器初级的6.5Ω若换能器谐振时等效电阻RL＝200Ω，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。
超声喷丸换能器的高电压阻抗匹配设计
第 43 卷第 5 期2023 年 10 月振动、测试与诊断Vol. 43 No. 5Oct.2023 Journal of Vibration，Measurement & Diagnosis超声喷丸换能器的高电压阻抗匹配设计∗施陆锴，芦小龙，李武琴，钱丰，曹达，李华峰（南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室南京，210016）摘要研究了超声喷丸换能器在不同电压下的阻抗特性，设计了针对高电压驱动工况的阻抗匹配方法。
首先，采用功率放大器和示波器获取高电压下换能器两端的电压、电流以及相位差，计算得到阻抗特性曲线；其次，以工作频率下的阻抗为基准，计算并联匹配和串联匹配时的电感值，通过对比优选负载电路呈纯阻性的匹配方式，实现有功功率的最大化；最后，将匹配电路结合自制的驱动电源设计了超声喷丸成形驱动系统，利用激光位移传感器对比了匹配前后喷丸枪撞针振幅的变化。
结果表明，当以2.6 mH电感串联匹配时测得接入匹配电路后喷丸撞针冲击振幅由2.7 mm升至4.9 mm，验证了所提匹配方法的有效性。
关键词超声喷丸换能器；谐振频率；阻抗特性；匹配电路中图分类号TH39；TH69引言超声喷丸成形技术是一种利用超声换能器驱动金属介质（撞针或弹丸）产生高频冲击作用于金属表面，实现钣件成形与校形的先进冷加工无模成形技术［1‑2］。
超声喷丸成形技术具有能量密度高、操作方式灵活、加工成本低和绿色无污染等特点，目前已经在飞行器、船舶及汽车等工业领域得到广泛使用。
例如，法国SONATS的STRESSVOYAGER设备和德国KSA的7轴数控喷丸系统均在波音、空客等公司的诸多项目中发挥着重要作用，而国内相关的研制工作仍处于起步阶段［3‑5］。
作为超声喷丸成形系统的核心部件之一，超声喷丸换能器的工作特性直接决定了喷丸成形的效果。
由于在低频超声领域内对换能器功率以及端面振幅的要求较高，夹心式构型的超声换能器获得了广泛应用［6］。
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一、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，因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，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。
二、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；
vcc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间，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
举例：要求一发生器输出在换能器上的功率为1000W，设直流电VCC为220V，
VCES=10V，功率应留有一定余量，则PO='=1500W。
则变压器初级的
Ω若换能器谐振时等效电阻RL＝200Ω，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μ，高电阻率ρc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：1．工作磁通密度B的选取
铁芯材料的磁感应增量ΔB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。
ΔB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，一般选取工作磁通密度B≤Bs／3为宜，这里Bs为磁芯的最大和磁通密度。
2.要保证初级电感量足够大
一般要求变压器初级阻抗应满足下式关系：WLl≥15RL'，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。
3．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。
三、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φ，其输出功率PO ＝VRLIRL cosφ。
由于φ的存在，输出功率达不到最大值。
只有当φ=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(φ=0)，则必须在换能器上，并上或串上一个相抵消的抗。
对于压电换能器而言，即并上或串上一个电感L0即可，而磁致伸缩换能器应并上或串上一个电容C0。
压电换能器的阻抗或导纳等效电路如图1．52所示。
在等效电路图中
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：
下面我们比较一下两种调谐的差异
图1-53，1-54是一种换能器两种调谐计算曲线，由计算表明，
1.由于换能器的串联电抗比并联电抗小，故有L串<L并
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。
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.从串、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
串联调谐。
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，因串联调谐有电感串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串上一小电感可能
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。
四、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。
式中ω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)；μe铁芯有效磁导率，
式中，μ~铁芯磁导率,lg铁芯中非磁致间隙长度(cm)；因为lg/lc〉〉1／μ~,故
所以
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LO。
设计电感有以下几个步骤；
(1) 按ωs c选铁芯
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MXO一2000E型磁芯较多，匝数计算如下；
(2)计算磁芯间隙lg
(3)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f>10kHz时由邻近效应引起的交流电阻R~约为其直流电阻Rd 的2—10倍，铜耗pr也要比直流铜耗Pro增大同样倍数。
令增大倍数为k，则：Pr=kPro
因此，为维持电感线圈的正常升温，电流密度必须按照常规允许值的1／k-1来选择。
关于集肤效应，常用高频电流的穿透深度B来表示：
式中，μ为导线磁导率，r为导线电导率。
为减少集肤效应的影响，所选导线直径D必须小于两倍穿透深度B，否则采用扁平线或者高频线。
在功率超声中其频率为15-40千赫的匹配电感导线可以采用多股塑胶线，一般问题不大。
匹配电感连续工作8小时如果温升正常，则表明设计是成功的。