寬帶超聲換能器電阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計研究.pdf

1、超聲技術(shù)近些年來由于其具有無損檢測，在某些媒介中衰減速度慢等特性，正愈來愈引起人們的重視并且已經(jīng)在能源，醫(yī)療，軍事，通訊等各個行業(yè)得到應(yīng)用。隨著超聲技術(shù)的飛速發(fā)展和實(shí)際中不斷增長的技術(shù)需求，寬帶超聲技術(shù)具有非常廣闊的前景。
　　一般來說，超聲設(shè)備由發(fā)射系統(tǒng)，換能器或換能器陣列，信號采集系統(tǒng)和信號處理系統(tǒng)等幾個組成部分。作為發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)中的重要組成部分，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)是換能器和電子學(xué)模塊連接的橋梁。在發(fā)射系統(tǒng)中，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的目

2、的是提高信號源傳輸給換能器的有效功率，避免過大的反射波可能對激勵源造成的損壞，降低帶寬內(nèi)聲源級的起伏程度。在接收系統(tǒng)中，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)除了防止信號反射外還可以避免采集的電信號變形。
　　早期的超聲設(shè)備中，換能器往往工作于單一頻率，工作帶寬窄，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)原理和計算都比較直觀，匹配網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也只需要很少的元件即可。隨著超聲技術(shù)的飛速發(fā)展，超聲設(shè)備也越來越復(fù)雜，很多應(yīng)用往往生成頻帶很寬甚至多個頻帶的超聲波，這種情況下，簡單的匹配網(wǎng)絡(luò)

3、已經(jīng)不滿足需求，往往經(jīng)過復(fù)雜的計算過程，其最終的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)也變的越來越復(fù)雜。
　　從發(fā)展歷程上看，寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法主要是為了解決射頻和微波領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計中的經(jīng)常遇到的寬帶阻抗匹配問題而發(fā)展起來的。對超聲換能器來說，盡管其工作頻率以及絕對帶寬比射頻電路低很多，但并不代表為其設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)是一個簡單的任務(wù)。因?yàn)闊o論其電阻抗特性還是應(yīng)用環(huán)境等很多方面與射頻電路中碰到的問題不同，如果不考慮這些特殊因素，而直接將現(xiàn)有的方法應(yīng)用于寬帶換能

4、器的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，得到匹配效果可能無法令人滿意，為了有效解決寬帶超聲換能器的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計問題，應(yīng)該以現(xiàn)有的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法為基礎(chǔ)，結(jié)合寬帶換能器本身的特有性質(zhì)，尋找一種有效的寬帶換能器匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法。
　　本文的主要目的是研究應(yīng)用寬帶超聲換能器的時候會普遍遇到的寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計問題，它包括理論研究和實(shí)驗(yàn)測試兩個部分。在理論研究中，本文從寬帶阻抗匹配的基本知識著手，討論了目前工程實(shí)踐中應(yīng)用比較廣泛的方法，并且討論了不同類型的算法對

5、結(jié)果的影響。在分析了現(xiàn)有算法的特性和不足之后，本文提出了一種基于遺傳算法的寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法，這種方法結(jié)合了實(shí)頻法和直接優(yōu)化方法的優(yōu)點(diǎn)，不需要預(yù)先指定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在這之后，本文利用遺傳算法對現(xiàn)有方法中存在的一些不足進(jìn)行了改進(jìn)。最后，本文通過解決一個實(shí)際工程中的多路寬帶換能器的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計問題驗(yàn)證算法的性能并且比較了不同算法之間的性能差異。本文各章的內(nèi)容安排如下:
　　第一章介紹了給出了課題的選擇原因和一些需要了解的背景知識，包括超

6、聲系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，壓電超聲換能器及匹配網(wǎng)絡(luò)的原理，和寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法的發(fā)展和現(xiàn)狀。
　　第二章介紹了匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計涉及到的數(shù)學(xué)工具，包括赫爾維茨多項(xiàng)式，阻抗和頻率歸一化，正實(shí)函數(shù)，網(wǎng)絡(luò)函數(shù)及其性質(zhì)。在以上概念的基礎(chǔ)上介紹了雙端口網(wǎng)絡(luò)綜合的方法。
　　第三章研究了寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的主要方法，主要有兩大類方法，包括解析方法，和計算機(jī)輔助設(shè)計法。首先，討論了三種著名解析理論，即Bode理論，F(xiàn)ano理論和Youla理論。在分析了解析法

7、的缺陷和不足的基礎(chǔ)上，論述了彌補(bǔ)這些缺點(diǎn)的方法，即計算機(jī)輔助設(shè)計法，并主要包含的三類方法:實(shí)頻法及其改進(jìn)方法，史密斯圖法和直接優(yōu)化方法。這些方法共同點(diǎn)都是利用實(shí)測的負(fù)載數(shù)據(jù)，無需負(fù)載的拓?fù)湫问?。討論直接?yōu)化法的過程中，提出基于全局優(yōu)化算法的直接優(yōu)化設(shè)計方法，并選擇兩種典型的全局優(yōu)化算法:模擬退火法和粒子群算法作為實(shí)現(xiàn)實(shí)例。通過為一個實(shí)際的寬帶換能器機(jī)電等效模型設(shè)計匹配網(wǎng)絡(luò)，比較了三類直接優(yōu)化方法的性能。
　　第四章在分析前文提出的

8、方法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于遺傳算法的寬帶匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法，其最大特點(diǎn)是，和直接優(yōu)化法不同，這個算法無需指定拓?fù)?，可以通過優(yōu)化過程搜索出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及元件值。之后，結(jié)合上一章介紹的匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計方法的不足，給出了基于遺傳算法改進(jìn)方法。最后，對這種新方法通過仿真進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　第五章基于一個實(shí)際超聲測井系統(tǒng)的需要，為某超聲測井系統(tǒng)中使用的多路寬帶換能器進(jìn)行匹配。該測井系統(tǒng)采用三個工作在不同頻帶的換能器覆蓋其工作頻段，需要設(shè)計一個寬帶匹配