徑向極化壓電圓管超聲換能器的數(shù)值模擬以及功率超聲電源的研究.pdf

1、功率超聲是超聲學(xué)領(lǐng)域中一個重要的分支，隨著電子和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，功率超聲在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防以及生物醫(yī)學(xué)等方面都得到了廣泛的應(yīng)用。超聲清洗、超聲藥物萃取等都是功率超聲在生物醫(yī)學(xué)上的重要應(yīng)用。超聲清洗用于醫(yī)療器具和輸液瓶等的清洗較傳統(tǒng)的清洗方式具有清潔度高、不需人手接觸安全可靠等優(yōu)點。超聲藥物萃取能使藥物的提取率比傳統(tǒng)的提取方法提高50％到500%。以上這些超聲技術(shù)都是基于產(chǎn)生強超聲的大功率超聲換能器以及功率超聲電源的實現(xiàn)。超聲換能器

2、在超聲工程領(lǐng)域中的地位極其重要，壓電超聲換能器是目前功率超聲領(lǐng)域中應(yīng)用最多的一種換能器形式。本課題對一種能產(chǎn)生均勻超聲場的新型徑向極化壓電圓管超聲換能器進(jìn)行數(shù)值模擬分析，為這種超聲換能器的設(shè)計提供數(shù)值分析依據(jù)，并為后續(xù)的研究提供一定的基礎(chǔ)。并且針對壓電式超聲換能器設(shè)計了一款頻率和功率可調(diào)的超聲電源。超聲電源系統(tǒng)的頻率調(diào)節(jié)范圍為20KHz到60KHz，具備一定的功率調(diào)節(jié)能力。
　　本課題的研究內(nèi)容主要包括兩部分：一是對徑向極化壓電圓

3、管超聲換能器進(jìn)行數(shù)值模擬研究，二是設(shè)計功率超聲電源系統(tǒng)。具體內(nèi)容如下：
　　(1)對徑向極化壓電圓管超聲換能器進(jìn)行數(shù)值模擬研究。首先通過對徑向極化壓電圓管超聲換能器進(jìn)行頻率響應(yīng)分析得到換能器的前三階振動模態(tài)；其次分析了壓電圓管換能器一階諧振頻率與圓管尺寸的關(guān)系；最后模擬了壓電圓管在空氣和水中產(chǎn)生的超聲場的分布，分析了介質(zhì)空氣和水對壓電圓管的影響。制作了一個徑向極化壓電圓管超聲換能器，利用精密阻抗分析儀對其導(dǎo)納曲線進(jìn)行測試，并與數(shù)值

4、模擬結(jié)果進(jìn)行對比。結(jié)果表明，實驗和仿真的結(jié)果基本吻合。因此，以上數(shù)值模擬結(jié)果對徑向極化壓電圓管超聲換能器的設(shè)計和進(jìn)一步的研究有重要的指導(dǎo)作用。
　　(2)根據(jù)壓電式超聲換能器的特點設(shè)計了功率超聲電源系統(tǒng)，包括超聲電源主電路模塊、數(shù)字控制模塊以及系統(tǒng)電源模塊。超聲電源以半橋逆變電路為核心，逆變電路所需的驅(qū)動波形由微控制器以及相應(yīng)的驅(qū)動電路提供。通過對驅(qū)動波形PWM進(jìn)行調(diào)制，實現(xiàn)超聲電源輸出頻率和功率的可調(diào)。最后對設(shè)計的超聲電源進(jìn)行了