大功率超声换能器能量损耗特性研究.docx

摘要

大功率超声设备在当今我国工业发展中有着广泛的应用,而大功率超声波换能器又是功率超声设备中的核心部件,目前应用最为广泛的是压电式换能器,作为功率超声设备的核心部件其自身性能与超声波发生器之间的匹配程度决定了功率超声设备在实际应用中能否持续高效的工作，本文旨在分析并研究现阶段压电式换能器的在能量损耗方面的几个问题，并对相应的问题加以解决。

功率超声设备主要由超声波换能器以及超声波发生器两大部分组成，本文通过运用干涉法以及换能器等效电路法明确了功率超声换能器在工作过程中自身能量损耗和能量传播中的损耗。首先通过对换能器材料、工作原理以及基本结构的研究分析了换能器三个效率即机电效率，机声效率、电声效率及各项参数如工作频率，机电耦合系数、品质因数，运用干涉法明确了超声波换能器的频率与其波长特性之间的关系,解释了超声波在介质中传播时会因其波长的特性产生透射和能量损耗影响。其次通过超声波发生器对换能器的阻抗匹配以及能量损耗特性，运用换能器等效电路法，分析了功率超声换能器在自身工作过程中存在着能量损耗和机械损耗，在换能器工作中能量损耗主要有极化驰豫现象所引起，而机械损耗则是由于换能器压电材料内部摩擦所引起，这两种损耗直接影响了超声波设备在信息采集、物性介质、测量等方面的可靠性，使换能器的使用寿命以及工作效率降低。

最后，本文相应的阐述了由于上述问题引发的换能器能量损耗的一系列问题的解决方法，通过频率自动跟踪再由调制电路控制以实现换能器输出功率的自动调节，以保证超声设备的高效工作，然后对压电材料的改进以进一步降低摩擦系数带来的机械损耗影响，以及运用等效匹配电路设计与相位法减少其换能器在工作过程中由极化驰豫引发的能量损耗。

关键词：大功率；换能器；能量损耗；

目录

TOC\o1-3\h\z\u第一章 绪论 3

1.1研究背景意义及内容 3

1.1.1研究背景 3

1.1.2研究意义 3

1.2超声波特性 4

1.3超声波换能器国内外研究状况 4

1.3.1国外研究状况 4

1.3.2国内研究状况 5

1.4研究内容 6

1.5本章小结 6

第二章 功率超声的基础研究 7

2.1功率超声概论 7

2.2功率超声的原理 7

2.3功率超声的组成 7

2.4功率超声的应用 8

第三章功率超声换能器的基础研究 9

3.1压电式换能器介绍 9

3.1.1压电式换能器原理与结构 9

3.1.2压电式换能器的材料介绍 9

3.2压电式换能器的性能指标 9

3.2.1工作频率 10

3.2.2机电耦合系数 10

3.2.3换能器的品质因数 10

3.2.4压电式换能器的频率特性 10

3.2.5压电式换能器传输效率 11

3.3本章小结 11

第四章压电式换能器能量损耗研究 12

4.1压电式换能器的工作特点 12

4.2驻波变化对压电式换能器频率的影响 12

4.3驻波变化对换能器振幅损耗的影响 15

4.3.1幅值 15

4.3.2幅值与距离 15

4.3.3幅值与声场 15

4.4换能器的阻抗特性 15

4.5压电式换能器能量损耗特性 19

4.6本章小结 20

第五章总结与展望 21

5.1全文总结 21

5.2研究展望 21

参考文献 22

致谢 23

绪论

研究背景及意义

1.1.1研究背景

近些年，超声波技术的应用越来越被人们所重视，诸多高新技术中也开始逐渐应用功率超声技术，由此可见功率超声的应用会越发的广泛，为了使功率超声能够高效的工作，就必须使超声设备的各种核心部件能够有效应用，超声波设备的重要组成部分便是超声波换能器和发生器。作为其核心部件，功率超声换能器技术是当代科学技术领域中是非常重要的一门学科，它不是单一体系，而是与很多科技领域互相作用、互相补充、互相影响的一个科学领域，由于它的功能、频率、功率互不相同，通过分析换能器的特性以及各种性能参数的匹配性，可以使人们研制多种形式不同的换能器，能够大大增加功率超声的可应用范围，在倡导高端制造，绿色环保的今天，研制各种超声设备，增加超声技术的应用范围已成为重中之重，因此，超声换能器的研究与发展也势在必行，相信通过对换能器长时间大量的科研资料以及海量的数据信息积累，对当代超声技术在各个领域中的深入发展与应用都会起到了非常大的促进作用。

1.1.2研究意义

超声波技术在工业、医疗、航空、民用、国防等领域有着重要应用，超声波技术在当代的国民经济和工业发展中可以分为两大类，一类是低功率超声波设备，它的用途主要是用来来采集各种工况信