Page 85 - 《应用声学》2021年第2期

第 40 卷 第 2 期 冉超等： 磁致伸缩超声换能器阻抗匹配网络的设计 253

3.1 阻抗特性测量与分析 300 8
U I
采用精密阻抗分析仪对磁致伸缩超声换能器 200
4
在无匹配以及π型匹配网络条件下的阻抗特性进行 100
测量。依据测量结果，以实验测得的电阻 R 为横坐 U/V 0 0 I/A
标、电抗 X 为纵坐标、频率 f 为自变量在复平面作
-100
图，可得到阻抗圆图如图7所示。 -4
-200
在阻抗特性圆图中，距离坐标轴原点最近和最
-300 -8
远 (即阻抗模值最小和最大) 的两个点分别为串联 -100 -50 0 50 100
t/ms
谐振点和并联谐振点 [12] 。 (a) ௄Ӝᦡ

30 ௄Ӝᦡ 300 8
pیӜᦡᎪፏ U I
200
20
4
100
10
X/W U/V 0 0 I/A
0
10 20 30 40 50
-100
R/W -4
-10
-200
-20 -300 -8
-100 -50 0 50 100
图 7 换能器阻抗圆 t/ms
Fig. 7 Impedance circle of the transducer (b) pیӜᦡ

实验结果表明，经过π型阻抗匹配网络后： 图 8 匹配前后电压、电流波形图
(1) 磁致伸缩超声换能器的阻抗特性圆关于 Fig. 8 Waveform of voltage and current before
and after matching
X = 0，验证了阻抗匹配的精确调谐；
(2) 换能器在串联谐振点的电抗值为 0，电阻值
4 结论
与驱动电源的内阻相等，实现了驱动电源与磁致伸
缩超声换能器之间的共轭匹配。 磁致伸缩超声换能器的激励电流大小、输入电
3.2 电信号波形测量与分析 信号波形质量等是表征其工作性能的重要指标。本
文基于阻抗匹配理论和磁致伸缩超声换能器的阻
利用双踪示波器观察驱动电源输出电压 U 以
抗特性，利用电感、电容元件设计了一种π型阻抗匹
及换能器激励电流 I 的波形及幅值。对磁致伸缩超
声换能器在无匹配和π型匹配网络条件下的测量结 配网络，该网络适用于中低频超声频率范围内换能
器在不同负载条件下的阻抗匹配。实验结果表明所
果进行比较，实验波形如图 8 所示。图 8(a)、图 8(b)
设计的π型匹配网络可以起到很好的调谐、变阻、滤
分别为磁致伸缩超声换能器在无匹配和π型阻抗匹
配网络条件下，驱动电源的输出电压和磁致伸缩换 波作用，使驱动电源与换能器之间的能量传递效率
提升至接近 50%，换能器线圈的激励电流提升 40%，
能器激励电流的波形图。
实验结果表明，磁致伸缩超声换能器经过 π 型 超声电源输出及换能器两端电信号的波形质量大
阻抗匹配网络后： 幅优化。本研究可为大功率磁致伸缩超声换能器的
(1) 驱动电源的输出电压 U 与流过换能器的电 应用提供理论和技术支持。
流I 的相位差为0；
(2) 换能器的激励电流得到有效提高，从无匹 参 考 文 献
配时的3.5 A 峰值增加到4.9 A峰值，提升了40%；
[1] 房善想, 赵慧玲, 张勤俭. 超声加工技术的应用现状及其发展
(3) 电信号波形质量得到优化，有效过滤去除
趋势 [J]. 机械工程学报, 2017, 53(19): 22–32.
了驱动电源输出电信号中自带的大量谐波成分。 Fang Shanxiang, Zhao Huiling, Zhang Qinjian. The ap-