压电陶瓷激波发生器控制系统及激波压力特性试验研究

摘要

理论和实验研究表明，短脉冲有限幅值声波在液体中传播时，由于传播的非线性影响，与材料表面相互作用时会产生冲击波或应力波，一般称为激波，又称震波。由于激波在液体介质中具有高能、瞬时高压的特点，其能量转换过程非常适合表面改性、材料强化等应用。 本文依据脉冲超声波聚焦技术、声波非线性传播原理，在前期激波发生器的研究的基础上，开发了基于C8051F040 SoC的激波控制系统，并在此控制系统平台上，提出了一种基于压电式压力传感器的液体压力激波特性测试方法，同时初步测试了激波的压力特性。 本文主要研究内容如下： 1.根据压电逆效应原理，介绍了单元式和阵列式压电陶瓷超声换能器设计形式。从压电换能器的等效电路出发，提出了激励电源的设计要求和技术指标，并分别就从高频开关电源PWM控制和激励电源主电路设计两个关键问题作了详细的分析和探讨，对激励电源的功率和效率作了测量。最后结合激波发生器，提出了激波控制系统的总体设计要求。 2.针对激波发生器及其应用，开发了一种基于SoC单片机C8051F040的激波控制系统。从设计任务入手，根据模块化的设计原则，本文分别从硬件电路设计和软件开发两方面进行了探讨。针对系统的可靠性应用，提出了若干系统软硬件抗干扰措施和方法。 3.根据非线性效应及激波在液体里传播的机理，得出液体压力激波的特性，提出了一种基于压电式压力传感器的液体压力激波特性测试方法，开发了试验测试平台，并建立了测试方案，利用该试验系统进行了液体压力激波的压力特性测试。