Page 222 - 《应用声学》2025年第2期

482 2025 年 3 月

功率放大器，激励发射换能器。同时前置放大电路 42.2 kHz，并得到频率与阻抗的关系图如图 3 所示。
接收到接收换能器信号后放大，放大信号经采集控 从图 3 中可以看出，超声换能器等效阻抗随着频率
制电路进行模数转换处理后上传数据给上位机软 的增大先减小后增大再减小，呈现出明显的非线性
件做存储及进一步处理。 特征。当换能器在串联谐振频点 f s 附近工作时，等
效阻抗最小，有极小值为 220 Ω；当换能器在并联谐
2 换能器等效电路分析 振频点 f p 附近工作时，等效阻抗最大。计算源阻抗
大小对于分析换能器热噪声对放大器输出噪声的
要设计放大器电路之前首先对信号源输出进
影响是必要的，方便后续设计工作。
行阻抗分析，便于后续电路噪声分析。压电振子在
谐振时的机电特性可由图 2 所示的 LC 串并联回路 表 1 空气耦合超声换能器参数
表示。其中，C 0 是静态电容，L 1 、C 1 、R 1 分别为等效 Table 1 Parameters of the air-coupled ul-
电感、等效电容和等效电阻 [7] 。 trasonic transducer

参数 值 参数 值
L 
C 0 2.97753 nF R 1 225.595 Ω
22.4295 mH 0.803427 nF
L 1 C 1
C  C 
8000
R 

6000
图 2 谐振频率附近压电陶瓷的电气模型
Fig. 2 Electrical model of a piezoelectric ceramic ᫾ઈ/W 4000
around the resonance frequency
根据图 2，工作频率为 f 时，超声换能器等效阻 2000
抗表达式 [15] 如下：
2
4
C Aω + Bω + D 0
Z s (ω) = + j ,
5
4
2
3
2
Eω + Fω + D 2 Eω + Fω + D ω 10 20 30 40 50 60 70
(1) ᮠဋ/kHz
2
2
2
其中，ω = 2πf，A = −L C 0 C ，B = L 1 C + 图 3 空气耦合超声换能器阻抗与频率关系图
1 1 1
2
2L 1 C 0 C 1 − C 0 C R ，C = R 1 C ，D = −(C 0 + C 1 )， Fig. 3 Impedance magnitude vs. frequency plot
2
2
1 1 1
2
2
2
E = L C C ，F = C C R −2L 1 C 0 C −2L 1 C C 1 。 of the air-coupled ultrasonic transducer
2
2
2
2
2
1 0 1 0 1 1 1 0
根据式 (1) 可以得到等效阻抗 Z s (ω) 的虚部即
3 前置放大电路设计
等效电抗如式(2)所示：
4
2
Aω + Bω + D 前置放大电路是本平台的关键装置，它能实现
X s (ω) = . (2)
5
3
2
Eω + Fω + D ω 有用信号的提取放大。微弱信号要放大，必然使用
当X s (ω) > 0 时，超声换能器在感性区域工作； 放大器，但是放大器在放大有用信号的同时也放大
当 X s (ω) < 0 时，超声换能器在容性区域工作；当 了噪声；不仅如此，放大器本身不可避免地还要产
X s (ω) = 0 时，超声换能器等效为纯电阻。令式 (2) 生额外的噪声，对本来 SNR就比较低的微弱信号造
为0，此时换能器存在两个不同的谐振频率，分别为 成进一步污染。因此设计合理的低噪声放大电路至
串联谐振频率 f s 和并联谐振频率 f p ，表达式分别为 关重要。噪声系数 F 是衡量一个系统噪声性能的指
式(3)所示： 标，定义如式(4)所示：
( √ )
1 / C 0 C 1 输出总噪声功率
f s = √ , f p =1 2π L 1 . (3) F =
2π L 1 C 1 C 0 + C 1 放大器无噪声时的输出噪声功率
本次使用的换能器参数如表 1 所示。经计算 P si /P ni SNR i
= = , (4)
得到串联谐振频率为 37.5 kHz，并联谐振频率为 P so /P no SNR o