Page 120 - 《应用声学》2025年第1期

116 2025 年 1 月

波输出性能以及保护电子设备的稳定运行具有重 ᰴᤴ୊ϸ఻ ԝሏߕඵ ๯ໟ
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要意义。超声换能器固有的窄带特性，使其在共振
频率处表现出较大的响应，此时的能量转化效率最 ๯ໟإ࠱ᝮै ԧ࠱ηՂ଍҄
高，发热程度最低，对换能器的损坏也最小 [10] 。然
而，超声换能器与硬件发射电路通常难以达到良好 ဗ᫼ᡔܦ
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的阻抗匹配状态，换能器的能量转化效率会大大降
低，电子设备的稳定运行也会受到影响。因此，设计
合适阻抗匹配电路，使换能器与电子系统实现良好 ಖюႃູ ᡔܦηՂԧ࠱ጇፒ
的电阻抗匹配，提高能量传递效率、优化声波输出
图 4 基于环阵超声的移液平台
性能是至关重要的一环。
Fig. 4 Annular array-based ultrasonic liquid han-
将 Smith 圆图与等效电路模型相结合，可以建
dling platform
立匹配换能器的等效电路。如果负载阻抗 (换能器)
是源阻抗 (驱动电路) 的复共轭，则最大功率从源传 2 实验和结果分析
输到负载。输入阻抗与源阻抗共轭匹配，输出阻抗
与负载的阻抗共轭。Smith 圆图可以通过并联或串 将五通道超声信号频率设定为 10 MHz，以
焦距设置为 28 mm 为例，此时理论计算的五通
联电容和电感将负载阻抗 (换能器阻抗) 移动到中
道超声信号发射延时分别是 ∆t (1,2) = 221.8 ns、
心点(50 Ω)。
设计的环阵换能器的谐振频率为 10 MHz，等 ∆t (2,3) = 159.5 ns、∆t (3,4) = 160.7 ns、∆t (4,5) =
面积的设计使得环阵各阵元的阻抗值有较好的一 160.4 ns，由于发射精度为 5 ns，所以实际发射
致性。采用LC匹配法，根据Smith仿真结果选择并 延时分别为 ∆t (1,2) = 220 ns、∆t (2,3) = 160 ns、
联电容串联电感的 LC 电路。通过网络分析仪测试 ∆t (3,4) = 160 ns、∆t (4,5) = 160 ns。对相控波
和回波测试法来确定阻抗匹配效果，从而尽可能地 形数据进行示波器 (Teledyne LeCroy/ WaveSurfer
提高能量传递效率和系统性能。 3104z/200 M/4 GS/s) 最大长度模式下的采样，采
样数据经处理后的结果如图 5 所示，系统可同时输
1.3 超声移液平台搭建
出多路相控方波信号。
如图 4 所示，基于五通道超声信号发射系统
和五阵元环阵换能器搭建一套超声移液的平台， t=0.679 ms t=0.899 ms t=1.057 ms t=1.219 ms t=1.379 ms
该平台主要由五通道超声信号发射硬件系统、
环阵换能器、高速摄像机 (MotionBLITZ Cube4, ᤰ᥋5
15 ᤰ᥋4
Mikrotron, Landshuter, Germany)、5.5 W 聚光型 12 ᤰ᥋3
ᤰ᥋2
白光光源 (CST-SL21-63.9-WDG)、两台电脑 (一台 ࣨϙ/V 9 ᤰ᥋1
用于连接高速摄像机观察液滴喷射情况，另一台 6
3
用于控制硬件发射系统)、两台 30 V 的标准电源
0
(ITECH TRIPLE)等设备组成。将环阵换能器放置 0.5 1.0 1.5 2.0
᧔ನ௑ᫎ/ms
在去离子水中，通过高速摄像机来记录去离子水液
滴喷射的过程，通过调整光源的亮度和相机焦距来 图 5 五通道不同延时的相控信号波形图
保证观测到液滴喷射的清晰度，以便后续分析。两 Fig. 5 Waveformsof five-channel signals with time
delay
台标准直流电源，一台用于硬件系统供电，另一台用
于控制发射超声信号的幅值。一台电脑控制改变发 同时，将示波器测得的五通道的信号频率、占
射信号脉冲宽度，从而更方便地调整输入能量以找 空比、延时等信息进行统计，如表 1 所示。实测通道
到合适的液滴喷射参数，另一台电脑连接高速摄像 CH1 到 CH5 的占空比和频率与预设值的误差均小
机可以更清楚地观察到液面的变化以及液滴喷射 于5%，每一通道相对于上一通道延时与预设值大小
情况，根据记录调整输入参数。 相同，实测误差小于 1 ns 且输出信号稳定，可实现