如今超聲波技術(shù)在工業(yè)及醫(yī)療領(lǐng)域應(yīng)用廣泛,如檢測(cè)超聲應(yīng)用于超聲探傷,功率超聲應(yīng)用于超聲理療等。超聲波發(fā)生系統(tǒng)包括超聲波驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和超聲波換能器,超聲波驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)一直都是超聲波技術(shù)的研究重點(diǎn)。本文主要研究功率超聲波驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)在超聲理療中的應(yīng)用,其輸出超聲波頻率大多在1MHz以上,若利用傳統(tǒng)的功率放大器對(duì)超聲波激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行放大處理,存在能量轉(zhuǎn)化效率低和輸出功率不可控等問(wèn)題。同時(shí)換能器在工作過(guò)程中,由于換能器的磨損和負(fù)載變化,換能器諧振頻率會(huì)發(fā)生漂移,僅僅依靠換能器匹配網(wǎng)絡(luò)不能夠?qū)崿F(xiàn)頻率的精確匹配�；谝陨蠁�(wèn)題,超聲波驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)功率控制、換能器阻抗匹配和頻率跟蹤等功能。本文設(shè)計(jì)了驅(qū)動(dòng)頻率為1MHz輸出功率可調(diào)的超聲波驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu),首先進(jìn)行換能器的阻抗特性分析,設(shè)計(jì)了換能器T型阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)并計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)元件參數(shù),并設(shè)計(jì)了換能器相位差檢測(cè)電路。采用E類功率放大器對(duì)超聲波激勵(lì)信號(hào)進(jìn)行放大處理,同時(shí)對(duì)放大器結(jié)構(gòu)和各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算。利用PWM波控制MOS管柵極驅(qū)動(dòng)器使能端實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波輸出功率的間接控制。針對(duì)換能器諧振頻率漂移問(wèn)題,由于換能器諧振頻率呈非線性變化,本文提出了Fuzzy-DDS（模... 

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【學(xué)位級(jí)別】：碩士

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國(guó)內(nèi)外超

重慶郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文第2章?lián)Q能器阻抗特性分析及頻率跟蹤方法研究8第2章?lián)Q能器阻抗特性分析及頻率跟蹤方法研究超聲波驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一個(gè)能夠輸出高頻電信號(hào)的信號(hào)發(fā)生裝置，產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)濾波、功率放大等電路后，再經(jīng)阻抗匹配電路傳輸至換能器負(fù)載端，使得換能器工作在諧振狀態(tài)，通過(guò)機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生超聲波信號(hào)，完成電信號(hào)到聲信號(hào)的能量轉(zhuǎn)化。傳統(tǒng)的超聲波發(fā)生系統(tǒng)如圖2.1所示。高頻信號(hào)發(fā)生器功率放大電路阻抗匹配電路換能器圖2.1超聲波發(fā)生系統(tǒng)換能器作為超聲波驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載，在超聲波應(yīng)用中有很高的研究?jī)r(jià)值，同時(shí)也是超聲波發(fā)生系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分。換能器本質(zhì)是能量轉(zhuǎn)化器件，在完成電信號(hào)到聲信號(hào)的過(guò)程中，同時(shí)也完成了電能到機(jī)械能再到聲能的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程。在超聲波應(yīng)用中常用的換能器有壓電式和磁致伸縮式，其中壓電式換能器的應(yīng)用更加廣泛。壓電式換能器由機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)和電能儲(chǔ)能元件兩部分組成，同時(shí)壓電式換能器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠、重量輕和機(jī)電轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點(diǎn)。如圖2.2所示，展示了兩種不同結(jié)構(gòu)的壓電式換能器，圖2.2(a)為凹面換能器，可用于產(chǎn)生聚焦超聲波，能夠使局部輻射能量急劇增大；圖2.2(b)為平面換能器，正負(fù)極分布在換能器兩側(cè)，超聲波有效輻射面積更大，能量分布更均勻。(a)凹面片(b)平面片圖2.2壓電式換能器

重慶郵電大學(xué)碩士學(xué)位論文第2章?lián)Q能器阻抗特性分析及頻率跟蹤方法研究92.1換能器阻抗特性分析換能器作為超聲波驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載元件，負(fù)責(zé)電能到機(jī)械能再到聲能的轉(zhuǎn)化，超聲波換能器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)諧振系統(tǒng)。為了更好地了解壓電式換能器工作狀態(tài)，本節(jié)主要研究換能器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其等效電路如圖2.3所示，圖中C0、L1、C1和R1分別為靜態(tài)電容、動(dòng)態(tài)電感、動(dòng)態(tài)電容和動(dòng)態(tài)電阻[35,36]。圖2.3換能器等效電路其中L1代表?yè)Q能器振動(dòng)質(zhì)量，R1代表?yè)Q能器內(nèi)摩擦系數(shù)，C1代表?yè)Q能器彈性常數(shù)。L1、R1和C1構(gòu)成了串聯(lián)諧振電路。而在以上參數(shù)中，只有換能器靜態(tài)電容C0為真正的電學(xué)量，其電容值的大小可以通過(guò)阻抗分析儀測(cè)得。L1、R1和C1是由換能器質(zhì)量和機(jī)械損耗近似折算過(guò)來(lái)的等效參數(shù)。根據(jù)電路知識(shí)可計(jì)算得到換能器等效電路整體阻抗如下。串聯(lián)支路阻抗為：11111ZRjLjC=++(2.1)式中，Z1——串聯(lián)支路阻抗R1——換能器內(nèi)摩擦系數(shù)L1——換能器振動(dòng)質(zhì)量C1——換能器彈性常數(shù)并聯(lián)支路阻抗為：001ZjC=(2.2)式中，Z0——并聯(lián)支路阻抗C0——換能器靜態(tài)電容可求得圖2.3中換能器整體等效電路阻抗為：

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