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、功率超聲是超聲學領域中一個重要的分支，隨著電子和計算機技術的飛速發(fā)展，功率超聲在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防以及生物醫(yī)學等方面都得到了廣泛的應用。超聲清洗、超聲藥物萃取等都是功率超聲在生物醫(yī)學上的重要應用。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、在超聲工程領域中的地位極其重要，壓電超聲換能器是目前功率超聲領域中應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行數(shù)值模擬分析，為這種超聲換能器的設計提供數(shù)值分析依據(jù)，并為后續(xù)的研究提供一定的基礎。并且針對壓電式超聲換能器設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、管超聲換能器進行數(shù)值模擬研究，二是設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行頻率響應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納曲線進行測試，并與數(shù)值

4、模擬結果進行對比。結果表明，實驗和仿真的結果基本吻合。因此，以上數(shù)值模擬結果對徑向極化壓電圓管超聲換能器的設計和進一步的研究有重要的指導作用。
　　(2)根據(jù)壓電式超聲換能器的特點設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的驅(qū)動電路提供。通過對驅(qū)動波形PWM進行調(diào)制，實現(xiàn)超聲電源輸出頻率和功率的可調(diào)。最后對設計的超聲電源進行了