寬帶超聲換能器電阻抗匹配網絡設計研究.pdf

1、超聲技術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在能源，醫(yī)療，軍事，通訊等各個行業(yè)得到應用。隨著超聲技術的飛速發(fā)展和實際中不斷增長的技術需求，寬帶超聲技術具有非常廣闊的前景。
　　一般來說，超聲設備由發(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，阻抗匹配網絡是換能器和電子學模塊連接的橋梁。在發(fā)射系統(tǒng)中，阻抗匹配網絡的目

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，降低帶寬內聲源級的起伏程度。在接收系統(tǒng)中，阻抗匹配網絡除了防止信號反射外還可以避免采集的電信號變形。
　　早期的超聲設備中，換能器往往工作于單一頻率，工作帶寬窄，阻抗匹配網絡原理和計算都比較直觀，匹配網絡的拓撲結構也只需要很少的元件即可。隨著超聲技術的飛速發(fā)展，超聲設備也越來越復雜，很多應用往往生成頻帶很寬甚至多個頻帶的超聲波，這種情況下，簡單的匹配網絡

3、已經不滿足需求，往往經過復雜的計算過程，其最終的網絡拓撲結構也變的越來越復雜。
　　從發(fā)展歷程上看，寬帶匹配網絡設計方法主要是為了解決射頻和微波領域的系統(tǒng)設計中的經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，但并不代表為其設計匹配網絡是一個簡單的任務。因為無論其電阻抗特性還是應用環(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，而直接將現有的方法應用于寬帶換能

4、器的匹配網絡設計，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絡設計問題，應該以現有的匹配網絡設計方法為基礎，結合寬帶換能器本身的特有性質，尋找一種有效的寬帶換能器匹配網絡設計方法。
　　本文的主要目的是研究應用寬帶超聲換能器的時候會普遍遇到的寬帶匹配網絡設計問題，它包括理論研究和實驗測試兩個部分。在理論研究中，本文從寬帶阻抗匹配的基本知識著手，討論了目前工程實踐中應用比較廣泛的方法，并且討論了不同類型的算法對

5、結果的影響。在分析了現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絡設計方法，這種方法結合了實頻法和直接優(yōu)化方法的優(yōu)點，不需要預先指定拓撲結構。在這之后，本文利用遺傳算法對現有方法中存在的一些不足進行了改進。最后，本文通過解決一個實際工程中的多路寬帶換能器的匹配網絡設計問題驗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)結構，壓電超聲換能器及匹配網絡的原理，和寬帶匹配網絡設計方法的發(fā)展和現狀。
　　第二章介紹了匹配網絡設計涉及到的數學工具，包括赫爾維茨多項式，阻抗和頻率歸一化，正實函數，網絡函數及其性質。在以上概念的基礎上介紹了雙端口網絡綜合的方法。
　　第三章研究了寬帶匹配網絡設計的主要方法，主要有兩大類方法，包括解析方法，和計算機輔助設計法。首先，討論了三種著名解析理論，即Bode理論，Fano理論和Youla理論。在分析了解析法

7、的缺陷和不足的基礎上，論述了彌補這些缺點的方法，即計算機輔助設計法，并主要包含的三類方法:實頻法及其改進方法，史密斯圖法和直接優(yōu)化方法。這些方法共同點都是利用實測的負載數據，無需負載的拓撲形式。討論直接優(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現實例。通過為一個實際的寬帶換能器機電等效模型設計匹配網絡，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、方法的基礎上，提出了一種基于遺傳算法的寬帶匹配網絡設計方法，其最大特點是，和直接優(yōu)化法不同，這個算法無需指定拓撲，可以通過優(yōu)化過程搜索出拓撲結構及元件值。之后，結合上一章介紹的匹配網絡設計方法的不足，給出了基于遺傳算法改進方法。最后，對這種新方法通過仿真進行了驗證。
　　第五章基于一個實際超聲測井系統(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，需要設計一個寬帶匹配