径向极化压电圆管超声换能器的数值模拟以及功率超声电源的研究

摘要

功率超声是超声学领域中一个重要的分支，随着电子和计算机技术的飞速发展，功率超声在工业、农业、国防以及生物医学等方面都得到了广泛的应用。超声清洗、超声药物萃取等都是功率超声在生物医学上的重要应用。超声清洗用于医疗器具和输液瓶等的清洗较传统的清洗方式具有清洁度高、不需人手接触安全可靠等优点。超声药物萃取能使药物的提取率比传统的提取方法提高50％到500%。以上这些超声技术都是基于产生强超声的大功率超声换能器以及功率超声电源的实现。超声换能器在超声工程领域中的地位极其重要，压电超声换能器是目前功率超声领域中应用最多的一种换能器形式。本课题对一种能产生均匀超声场的新型径向极化压电圆管超声换能器进行数值模拟分析，为这种超声换能器的设计提供数值分析依据，并为后续的研究提供一定的基础。并且针对压电式超声换能器设计了一款频率和功率可调的超声电源。超声电源系统的频率调节范围为20KHz到60KHz，具备一定的功率调节能力。
　　本课题的研究内容主要包括两部分：一是对径向极化压电圆管超声换能器进行数值模拟研究，二是设计功率超声电源系统。具体内容如下：
　　(1)对径向极化压电圆管超声换能器进行数值模拟研究。首先通过对径向极化压电圆管超声换能器进行频率响应分析得到换能器的前三阶振动模态；其次分析了压电圆管换能器一阶谐振频率与圆管尺寸的关系；最后模拟了压电圆管在空气和水中产生的超声场的分布，分析了介质空气和水对压电圆管的影响。制作了一个径向极化压电圆管超声换能器，利用精密阻抗分析仪对其导纳曲线进行测试，并与数值模拟结果进行对比。结果表明，实验和仿真的结果基本吻合。因此，以上数值模拟结果对径向极化压电圆管超声换能器的设计和进一步的研究有重要的指导作用。
　　(2)根据压电式超声换能器的特点设计了功率超声电源系统，包括超声电源主电路模块、数字控制模块以及系统电源模块。超声电源以半桥逆变电路为核心，逆变电路所需的驱动波形由微控制器以及相应的驱动电路提供。通过对驱动波形PWM进行调制，实现超声电源输出频率和功率的可调。最后对设计的超声电源进行了带超声换能器负载的整体测试，测试表明系统很够很好的驱动超声换能器，为此类超声电源的深入研究提供了一定的基础。

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1绪 论

1.1研究背景

1.2压电超声换能器及功率超声电源的发展

1.3本文的研究目的及主要研究内容

2压电超声换能器的基本理论与有限元法

2.1压电超声换能器的基本理论

2.2有限元分析法

3径向极化压电圆管超声换能器的仿真研究

3.1 径向极化压电圆管振动特性研究

3.2径向极化压电圆管产生超声场的研究

3.3仿真与实验对比

3.4本章小结

4功率超声电源的设计

4.1系统总体设计

4.2超声电源主电路的设计

4.3系统电源模块的设计

4.4超声电源控制系统的设计

4.5超声电源控制系统软件设计

4.6本章小结

5系统PCB设计与测试

5.1 PCB设计

5.2系统模块测试

5.3系统整体测试

5.4本章小结

6总结与展望

6.1本文总结

6.2不足与展望

致谢

参考文献

附录 A.作者在攻读学位期间发表的论文目录