超声换能器的定义及工作原理

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换能器参数是分三种:

1.压电陶瓷片参数(可由生产厂商提供)

2.小信号测量换能器(书上有介绍方法,目的为匹配和检查换能器的质量)

3.大功率测量(实际产品,现很少有做测量的有效方法)

 

换能器测量时包括的参数:

F:谐振频率(既阻抗最小时的状态)

FS:反谐振频率(阻抗最大时的状态)

F1-F2:带宽

R:动态电阻(阻抗)

C0:静电容(电容表就可测得)

C1:动态电容(匹配参数)

L1:动态电感(匹配参数)

以上数据可以通过阻抗分析仪/HP4139可以测得

关键的是动态的参数

 

 

1、从纯电学角度：它就是个电容，用电阻表量，不通；用电容表量有几百几千PF的容值；

2、从纯机械角度：它是个能谐振的弹性东西，振动在它内部有特殊的模式，象二胡的琴弦，但比它要复杂一点，在不同频率下表现出串联谐振和并联谐振特性；

3、从电声学角度：它是个转换器，加电压产生体积变化，限制它体积变化，就对限制它的物体产生力；加力在上就产生电压。

　　这种转换就象我们电源中用的变压器，描述变压器转换的参数是匝变比n，输入Vp输出Vs，则转换用Vp=-nVs表示，变压器两侧的参数都是电压V。

　　而描述换能器转换的参数是电声转换系数（电声比）Φ，电端参数电流I，声端(或叫机端)参数是声速v，转换用I= -Φv表示。

 

　　因为电学网络分析的理论较成熟，所以把力学向电学靠拢，就是说用电学的描述方式（如V、I、R、L、C等）来描述力学的规律。

　　在等效图的机端，力F相当于电学的电压V，声速v相当于电学的电流I，力阻抗Zm相当于电阻R。

　　于是在机端一侧，欧姆定律的力学形式为：F= v·Zm；机端侧的Lm、Cm等只做分析和理解用，是虚拟参数，难以实测，但可以通过其它参数的测量推算出来，如果用的到的话。

 

　　对物体施力物体就有状态变化的趋势，阻值形态变化的因素就是力阻Zm产生的原因，如损耗、变为动能、弹性势能等其它能量，于是

　　Zm = Rm + j·Xm = Rm + j·（ωM -K/ω）

　　可以这样理解：损耗因素Rm将能量转化为换能器以外的其它能量如热损，这种能量转换是不可逆的；

　　Xm可以理解为象LC等电元件那样存储能量的因素，包括转变为机械动能的ωM 项、产生弹性形变后变成弹性势能的K/ω项，储能这两项只是暂时存储能量，什么时候回收、什么时候它们之间相互转换，不同形、材的换能器就有不同的表现。

 

　　对于换能器压电器件的分析和等效，我想应该有三种状态：

　　１、自由状态：不夹紧的状态，分析压电片时；

　　２、夹紧状态：即做成换能器后但不施加负载时；

　　３、使用状态：实际使用情况，换能器置放于使用介质中，了解这一状态是我们设计电源最需要。

 

　从等效电路看，换能器和晶振滤波器等元件的电特性相似，应该有两个谐振频率，LCR串联谐振频率和LC0并联谐振频率。

　　如果换能器使用中(业内)通说的谐振频率只是指串联谐振频率(阻抗最小状态)，而忽略那个并联谐振频率，那么，是不是可以这样理解：要有效地完成电声转换，工作频率应该是串联谐振频率，只有在这个频率下L和C的电抗相互抵消，能量才能最大效率地传输到R上；而静电容C0通过电路中的匹配电感Lz进行中和，使开关管输出的电压和电流相位尽可能保持一致，从而满足电路输出能量传输的高效率。这样理解可以吗？

　　您说的参数中的L1、C1是否就是上面31贴图中的L、C？

 

　　如果是，那么是否还可以这样理解输出回路：

　　换能器接入电源后，暂且抛开反馈变压器的输出电路是一个串联谐振回路(L1C1R)并联在另一个串联回路(LzC0)的电容C0两端。前一个回路是不可调的（但不知是否受声学负载变化的影响？），而后一个回路可以通过Lz来调谐。

 

转载附：

        L1和C1会受到负载影响的，影响的因素主要有温度和机械负载，当温度升高到45度以上时，电流会变大，但输出功率会明显变小；对机械负载而言，影响到L1和C1也是必然的，因为超声换能器的原理是机械应变效应，施加机械负载后会使换能器的结构、质量、形状等发生变化，从而改变了换能器的应变特性。两者对换能器综合影响的结果，会使谐振频率偏移达2%甚至更多。