Page 196 - 《应用声学》2023年第2期

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式 (6) 中，Q 为拓扑的谐振品质因数，U in 为匹配拓 (2) 相同工况下，该数学模型可以准确预测不
扑的输入电压。求解以上方程可得匹配电容 C。把 同匹配下的反谐振电阻，反映的是换能器在一定负
电容 C 代入式 (5) 中即可算出所需匹配电感，故匹 载下的固有特性；非线性工作状态的压电换能器呈
配参数设计的方程组为 现出复杂非线性，难以用同一数学模型去描述，工况
 √ 2 2
Pα + P α + 4P (γ + βf) 发生改变时，应拟合新的数学模型，以提高实验分析

 U = ,


 2 的准确性。


R = αU + βf + γ, (7) (3) 基于等效反谐振电阻模型，提出一种新的


 2 匹配参数优化方法：依据超声焊接工件所需的最优
 U Q CR

 Q = , C = , L = .

U in ωR 1 + Q 2 功率进行电感电容 L 型匹配拓扑的参数设计，所得
在多层金属的焊接过程中，反谐振频率基本 匹配参数在最优功率工作时匹配网络的电能传递
在 20413 Hz 附近波动，设计功率 P = 1300 W，本 效率最高。
实验匹配输入电压 U in 约为 300 V，把以上数据
代入式 (7) 可得匹配电容为 48.5 nF，匹配电感为
参 考 文 献
1.05 mH。在实际实验中所用匹配电容为 48.3 nF，
匹配电感为 1.02 mH，通过控制驱动方波的占空比
[1] 潘仲明, 祝琴. 压电换能器阻抗匹配技术研究 [J]. 应用声学,
来控制功率大小，实验数据如表3所示。 2007, 26(6): 357–361.
Pan Zhongming, Zhu Qin. Study of impedance matching
表 3 不同功率下的效率对比
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Table 3 Efficiency comparison under dif- tics, 2007, 26(6): 367–361.
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从表 3 中看出，当换能器在 1300 W 附近工作 254–257.
[4] 韩丽轩, 于保华, 胡小平. 功率超声压电换能器阻抗匹配电路
时，拓扑传递效率最高；当工作功率偏离设计功率
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1300 W 时，效率降低，验证匹配参数能满足设计要 Han Lixuan, Yu Baohua, Hu Xiaoping. Parametric de-
求。在多层异种金属焊接中，功率对焊接效果影响 sign of impedance matching circuit for power ultrasonic
piezoelectric transducer[J]. Piezoelectrics & Acoustoop-
很大，一种工况对应一个最优的焊接功率，根据这个
tics, 2015, 37(4): 713–716, 720.
功率即可实现最优焊接功率下的最高电能传递效 [5] Lin S, Xu J. Effect of the Matching circuit on the elec-
率的匹配设计。 tromechanical characteristics of sandwiched piezoelectric
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3 结论 [6] 梁召峰. 夹心式压电陶瓷超声换能器的非线性研究进展 [J].
声学技术, 2016, 35(4): 296–302.
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通过上述理论分析、模型仿真与实验验证，可
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以得出以下结论： Technical Acoustics, 2016, 35(4): 296–302.
(1) 反谐振电阻同时与驱动电压和频率有内在 [7] 徐晓伟. 压电超声换能器的阻抗匹配分析 [J]. 压电与声光,
联系，通过仿真软件对实验数据进行拟合可获得等 2014, 36(5): 745–747.
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效反谐振电阻的数学模型，为研究换能器其他工作
piezoelectric ultrasonic transducer[J]. Piezoelectrics &
模态提供新思路。 Acoustooptics, 2014, 36(5): 745–747.