Page 82 - 《应用声学》2021年第2期

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功能，还具有良好的滤波效果。在提高超声系统功
0 引言
率传输效率、提升换能器激励电流的同时有效优化
近年来，超声技术的应用已经渗透到生活中的 换能器两端电信号的波形质量。
各个领域，如超声清洗、超声切削、无损检测、超声医
1 阻抗匹配网络的原理与设计
疗等 [1] 。在超声技术的广泛应用中，超声换能器一
直是一个研究热点。其中，磁致伸缩超声换能器采 磁致伸缩换能器是一种以磁致伸缩材料为核
用的磁致伸缩材料具有应变大、能量密度大、频率 心进行能量转换的装置，主要由一个电 (磁) 储能系
特性好等优点 [2] ，其发展受到了国内外研究人员的 统和一个机械振动系统组成。对激磁线圈通入交流
关注。大功率、大振幅一直是磁致伸缩超声换能器 电流，产生一个交变磁场，磁致伸缩棒在交变磁场中
发展的重要方向，目前国内外学者对其进行了大量 发生伸缩变形，推动顶杆实现位移，从而将电信号转
的研究发现：通过分析换能器的数学模型，对超声换 换成同频率的机械振动。
能器的材料、结构、磁路、预应力等进行优化设计可
1.1 换能器等效电路模型
以提升其换能效率 [3] 。但驱动电源和磁致伸缩超声
根据机-电类比等效的方法 [9] ，可建立如图1(a)
换能器之间往往存在着严重的阻抗失配，造成二者
之间的能量传输效率较低，在驱动电源给定激励下， 所示的磁致伸缩换能器等效电路。其中，L c 为换能
换能器无法从驱动电源获取最大的功率 [4] 。通过阻 器的静态电感；R c 为换能器静态电阻 (通常认为 R c
为无穷大，可以忽略)；C m 为换能器通过机电耦合到
抗匹配网络的设计，可实现驱动电源与换能器之间
的最大功率传输，减小无功损耗，从而增加向换能器 电路中的等效动态电容；L m 为换能器的等效动态
输入的有功功率，增加换能器的激励电流，这是提升 电感；R m 为等效动态电阻。
当磁致伸缩超声换能器工作于机械谐振频率
换能器输出振幅、功率的一个重要方法。
阻抗匹配的基本原理是在驱动电源和磁致伸 时，输出振幅最大，输出功率最高 [10] 。其等效动态
缩超声换能器之间接入阻抗匹配网络，使换能器系 电容 C m 、等效动态电感 L m 的电抗相互抵消，动态
统的等效阻抗与驱动电源的输出阻抗形成共轭匹 支路表现为纯阻性 [11] 。根据其等效电路模型，可得
配 [5] ，从而使换能器系统工作在谐振状态，提升其 换能器的机械谐振频率为
工作效率。Ashraf等 [6] 提出了利用阻抗匹配变压器 ω s = √ 1 . (1)
来匹配功率源的输出阻抗的方法，分析了将串联电 L m C m
路转换成并联等效电路的阻抗匹配电路的设计理 此时换能器的等效电路可以简化等效为一个电阻
与一个电感并联，如图 1(b) 所示。换能器系统对外
论，得到了良好的匹配效果。变压器匹配方式可有
表现为一个电感性负载，如果直接为换能器施加频
效实现变阻，提高功率传输效率，但难以达到精确的
阻抗匹配。刘素贞等 [7] 根据电抗元件可实现调谐、 率为 ω s 的交变电流，驱动电源的功率因数较小，超
变阻的特性，结合二进制的组合方式，设计了一种能 声系统无功损耗大，换能器能量转换效率较低。为
此，需要在驱动电源与换能器之间接入阻抗匹配网
够匹配多种频率线圈的电抗网络。该匹配网络可以
在 0.5∼5 MHz 频率范围内有效地提高功率源的输 络来进行无功补偿。
出效率，增大激励电流，但其滤波效果较差。王玉江
等 [8] 提出了一种宽频带的超声换能器阻抗匹配网
C m
络，采用电感、电容无耗储能元件设计了一种带通
L c L c R m
型的宽带阻抗匹配网络。该网络采用多节Γ 型匹配 L m
电路复合组成，可以有效增加超声换能器工作带宽， R m
但其结构元件及推导过程较复杂。
本文基于磁致伸缩超声换能器等效电路模型， (a) ኎஍ႃ᡹ (b) እӑ኎஍ႃ᡹
采用电感、电容无耗储能元件设计一种优化的 π 型 图 1 换能器的等效电路
阻抗匹配网络。该匹配网络不仅具有变阻、调谐的 Fig. 1 Equivalent circuit of the transducer