压电陶瓷换能器的阻抗匹配设计.pdfVIP

压电陶瓷换能器的阻抗匹配设计――AMO意译自Airmar公司的Airducer.pdf 压电陶瓷换能器的阻抗匹配设计 1 回顾一下阻抗的基本概念 在直流电路里 欧姆定律规定了器件的电阻等于器件两段的电压与流过器件的电 流之比 其中 R的单位是欧姆 V的单位是伏特 I的单位是安培 在交流电路里 电阻的定义被扩展 加入了随时间变化而变化的电压 电流的相 位关系 阻抗Z代表交流等效电阻 而且同样是电压与电流的比值 在这里 电压V(t)与电流I(t)都是时间的函数 与电阻一样 阻抗同样用欧姆作为单位 不同之处是 阻抗用复数来表示 任意 一个复数都可以用A+jB这样的形式来表示 一个复数包含两个部分 实部A和虚部 jB 根据定义 j −1 这意味着 j的平方的结果是 1 2 换能器等效电路 在狭窄的谐振频率范围内 压电陶瓷换能器的模型可以用以下等效电路来表示 串连电感L和电容C是换能器固有的 跟串连谐振频率有关 这个串连谐振频率可 以用等效电感L和电容C来表示 amo73@126.com 压电陶瓷换能器的阻抗匹配设计――AMO意译自Airmar公司的Airducer.pdf 在谐振频率下 串连等效电容C的容抗X完全抵消掉串连等效电感的的感抗X 从 C L R 在f附近 换能器相当于一个效率达到极值的 而换能器阻抗|Z|达到极小值 r 发射体 并联等效电容C与L,C一起产生了另外一个谐振频率 并联谐振频率f 对于压 0 a 电陶瓷换能器 并联谐振频率通常比串连谐振频率高几KHzf可用下面的等式表 a 示 在这个并联谐振频率里 换能器的阻抗达到最大值 在这个频率附近 换能器可 以等效为一个效率最高的接收器 值得注意的是 总体并联等效电容包括整个系统中的传输电缆 连接器 回波检 测电路以及发射电路的等效电容 所以常常需要尝试改变并联谐振频率 同样值 得注意的是 总体并联等效电容相当于一个交流负载 不但减小接收信号的振幅 而且需要发射电路提供更大的电流 这个总体并联电容产生的影响 在给定的频 率范围内可以通过选取一个合适的串连电感或者并联电感来降低 外部等效并联 电容对换能器的串连谐振频率没有影响 3 品质因数 换能器的品质因数Q是一个衡量换能器储存能量特性与耗散能量特性之间的关系 的量 Q用谐振时储存在换能器里的能量来表示 Q还可以用以下等式来描述 Q还可以用换能器在谐振频率附近的频率响应来描述 其中 f是换能器的-3dB带宽中心频率f就是串连谐振频率 从等式可看出 换 r 能器在固定的串连谐振频率下 Q值越大 其带宽就越小 4 换能器两端的等效阻抗 通常需要得到在特定频率下换能器两段呈现的特性 为了这个目的 我们的等效 电路可以更进一步简化 在一个特定频率下 除了谐振频率 C和L之中会有一个 起到主要作用 因而换能器两端将呈现出容性或者感性 这两种情况可以用下图 表示 amo73@126.com 压电陶瓷换能器的阻抗匹配设计――AMO意译自Airmar公司的Airducer.pdf 其中Rs串连等效电阻 Xs串连等效电抗 注意 Rs和Xs是跟频率密切相关的 串连模型不便于计算调谐匹配电路 因而我们通常把串联等效电路Figure3和 Figure4转换为等同的并联等效电路Figure5和Figure6 Rp和Xp的值由Rs和Xs经过下面的公式转换得到