Page 84 - 《应用声学》2021年第2期

252 2021 年 3 月

Ҫဋ᛫ 2 果可以看出：接入该 π 型阻抗匹配网络后，磁致伸
Ҫဋ᛫ 1 ႃื᛫
缩超声换能器的输入功率、换能器激励电流、驱动
V I
V I
电源与换能器之间的能量传递效率都得到了有效
R in
40 Ÿ C m 提升。其中换能器的输入功率从 386.25 W 增加到
᫾ઈ 37.5 nF
V 1 L c L m 562.31 W，提升了45.6%；激励电流从5.41 A增加到
Ӝᦡ 0.20413 mH
300V rms 1.58 mH
20.473 kHz Ꭺፏ R m 6.75 A，提升了 24.8%；能量传递效率从 24.2% 增加
26.856 Ÿ 到 49.9%，有效提高了驱动电源与换能器之间的功
率传输效率。
图 4 仿真电路图
表 1 阻抗特性仿真结果
Fig. 4 Simulation circuit diagram
Table 1 Simulation results of impedance
通过交流分析，在谐振频率附近对换能器的阻 characteristics
抗特性进行扫描，结果如图 5 所示，图 5(a)、图 5(b)
等效阻抗模值 相位角 等效电阻 等效电抗
分别表示超声换能器在无匹配及π型匹配网络条件
◦
|Z|/Ω θ/( ) R/Ω X/Ω
下的阻抗特性。阻抗特性仿真结果和电信号仿真结
无匹配 17.23 41.32 12.94 11.38
果分别如表1和表2所示。 π 型匹配
40.21 0.51 40.20 0.36
网络
40 100
|Z|
θ 90
35 表 2 电信号仿真结果
80
Table 2 Simulation results of electrical
30 70
|Z|/W θ/(O) signal
25 60
电源输出功率 换能器功率 换能器电流 能量传递
50
20 P 1 /W P 2 /W I/A 效率 η/%
40
无匹配 1604.37 386.25 5.41 24.2
15 30
16 18 20 22 24 26 28 30 π 型匹配
1127.02 562.31 6.75 49.9
f/kHz 网络
(a) ௄Ӝᦡ
3 实验
80
80
70 通过对磁致伸缩超声换能器阻抗特性的测量
60
|Z|/W 60 |Z| 40 与分析，以及对驱动电源输出电压、换能器激励电
θ
50 θ/(O) 流波形的测量和分析，进一步验证该 π 型匹配网络
20
在实际运用中的实际效果。试验系统图如图6所示。
40 0
图 6 中驱动电源输出交流电压信号，经阻抗匹配网
30 -20 络后加载到超声换能器。阻抗分析仪用于测量阻抗
16 18 20 22 24 26 28 30 32
匹配后超声换能器的阻抗特性，示波器用于观察驱
f/kHz
动电源的输出电压和超声换能器的激励电流信号。
(b) pیӜᦡ
图 5 换能器阻抗特性曲线 ᫾ઈѬౢ́
Fig. 5 Transducer impedance characteristic curve
᫾ઈӜ ᡔܦ
从表 1 仿真结果可以看出：经过 π 型阻抗匹配 ᯶үႃູ ᦡᎪፏ ૱ᑟ٨
网络后，换能器系统实现了调谐和变阻的效果。
换能器系统的阻抗相位角从无匹配的 41.32 变为 ᇨฉ٨
◦
0.51 ，等效电阻从12.94 Ω变为 40.2 Ω，实现了换能 图 6 实验系统示意图
◦
器系统与驱动电源之间的共轭匹配。从表 2 仿真结 Fig. 6 Schematic diagram of the experimental system