Page 192 - 《应用声学》2023年第2期

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真实电参数；动态支路的动态电阻R 1 、动态电容C 1 、
0 引言
动态电感L 1 是换能器的机械等效电参数，分别代表
为了提高超声换能器的功率输出效率，一般需 换能器的机械损耗、力顺和质量，其等效电路如图 1
要在超声电源和换能器之间进行匹配。目前国内外 所示。
学者对压电超声换能器的匹配技术已经做了大量
研究 [1−5] ，但由于换能器的非线性特性与换能器的 ᡔ C 
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工艺结构、温度、驱动电源、负载等多种因素有关，且 ฉ ᦡ C  ૱
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在大功率工作时，各零部件之间的接触损耗增大，使 ၷ ᡹ ٨
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换能器的非线性特性更明显，其性能参数将不同于 L 
小信号下的测量值 [6−8] 。因此，基于小信号测量参
数的匹配方法不适用大功率压电换能器匹配设计。 图 1 压电换能器等效电路图
目前大功率压电超声换能器的匹配主要依靠工程 Fig. 1 Equivalent circuit of piezoelectric transducer
经验，导致匹配参数精度与效率难以优化。 根据机电等效原理，对等效参数进行分析可得
在换能器负载变化剧烈且频繁的工业应用场 出换能器的阻抗特性。在进行小功率、小负载下的
合中，压电换能器在谐振频率附近的电流较大，发热 匹配参数设计时，根据阻抗分析仪测得的等效参数，
严重，导致压电换能器的性能下降甚至损坏 [9−10] ， 依据上述换能器的等效电路，选定匹配拓扑后即可
因此大功率压电换能器一般在反谐振频率附近工
进行参数计算。但在实际的大功率大负载超声应用
作。当在压电换能器的谐振频率与反谐振频率这两
中，负载对换能器阻抗特性影响很大，所述负载包括
个特征频率工作时，换能器的电压和电流相位一致
加工工件的材料结构、工具头与工件之间的压力等。
呈纯阻性 [11] 。阻性频率代表的是当阻抗或者导纳
以超声焊接为例，探究换能器在相同工件不同压力
的虚部为零时频率方程的实根，其中较大的实根为
条件下的阻抗特性，用图2所示实验装置进行实验。
反谐振频率，较小的实根为谐振频率 [12] 。本文基于
跟踪反谐振频率的大功率超声电源进行多层异种
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金属焊接实验，采集焊接过程换能器两端的电压有
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效值及其频率，通过最小绝对残差法拟合出反谐振 ඡԍ ҧ
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电阻的数学方程。根据反谐振电阻模型进行推导分
析，提出以功率为导向的单电感电容 (L 型) 匹配方 ᨷ᪔᪞
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法。以输出功率 1300 W 进行验证，实验结果表明， ᨷኩྟ
本文提出的匹配方法实现了设定功率下的最大输 图 2 超声金属焊接实验装置
出效率。 Fig. 2 Experimental equipment

通过气压调节阀控制气压大小从而控制工具
1 大功率超声金属焊接反谐振电阻模型
头与工件之间的压力大小，测量压电换能器不同气
研究
压下的等效电参数，并通过图 1 所示等效电路计算
在压电超声换能器谐振频率附近的梅森等效 谐振频率 f r 以及谐振电阻 R r ，反谐振频率 f a 以及
电路中，静态支路的静电容C 0 是压电陶瓷片之间的 反谐振电阻R a ，数据整理如表1所示。

表 1 大功率压电换能器特性参数
Table 1 Characteristic parameters of high-power piezoelectric transducer

气压/MPa C 0 /F C 1 /F L 1 /H R 1 /Ω f r /Hz R r /Ω f a/Hz Ra/Ω
0.0 2.23 × 10 −8 5.83 × 10 −10 0.107 8.047603 20113 8.0671 20374 15261
0.2 2.24 × 10 −8 6.18 × 10 −10 0.0994 39.764389 20306 40.330 7 20576 2942.9
0.3 2.23 × 10 −8 6.30 × 10 −10 0.0970 39.61586 20355 40.1008 20633 2974
0.4 2.23 × 10 −8 6.50 × 10 −10 0.0938 31.489974 20384 31.7867 20647 3756.7
0.5 2.22 × 10 −8 6.97 × 10 −10 0.0873 26.519791 20399 26.7 20712 4462.6