2 2 2 α 第 27 卷　第 3 期 V o l. 27　N o. 3 河 南 职 技 师 院 学 报 1999 年　9 月 Jou rnal of H enan V ocation T echn ical T eachers Co llege Sep. 1999 超 声 波 驱 动 电 路 的 研 究 洪新华 吴慎山 王庆国 郑　勇 (河南职技师院, 新乡 453003) (河南师范大学) (新乡市肉联厂) (新乡教育学院) 摘要: 研究了产生超声波的机理及器件性能, 分析了超声源驱动电路的组成和工作原理。 关键词: 压电效应; 反压电效应; 超声换能器; 驱动电路 中图分类号: O 462. 1 1　前　　言 随着科学和技术的发展, 超声波的应用越来越广泛。在医学领域, A 超、B 超不仅解决了人眼看不到 的体内病变的检测, 而且消除了其它射线检查带来的辐射危害; 利用超声对中、草药进行处理生产中成 药, 可大大地提高生产效率 3 ; 广泛应用的智能超声探伤系统, 对金属及材料内部的空洞, 缺陷可进行准 确的定位和检测, 提高了机械生产的产品质量。 最近国内外广泛兴起的压电超声马达的研究, 使机械加 工工艺水平进入了纳米量级 4 。超声技术的广泛应用, 显示了广泛的应用前景和强大的生命力 1 。超声 的应用领域, 一般分为超声检测和功率超声, 功率超声的特点是功率强度大, 如超声清洗、超声焊接、超 声切割、超声粉碎等都属于功率超声的范畴。1880 年居里兄弟在 石英晶体中发现了压电效应, 具有这 种特性的材料叫压电材料。 1883 年, 李普曼预言了逆压电效应的存在, 此后, 居里兄弟在石英中发现了 这一现象。 逆压电效应是在压电材料的相应部位间加上电压, 产生一定的电荷分布, 材料会发生相应的 形变, 在此种压电材料上加上某种特定频率的交变正弦信号, 材料就会产生随所加电压的变化规律而变 化的机械形变。这种机械形变推动周围介质振动, 产生疏密相间的机械波, 如果其振动频率在超声范围, 这种机械波就叫超声波。 2　超声换能器电路设计 超声换能器是产生超声波必需的能量转换装 置, 它把超声电磁振荡的能量转换为声波。图 1 是一 个超声换能器, 又称喇叭形换能器, 具有重量轻、体 积小、能量大的特点。图中 1 为金属前盖板, 2 为电极 线, 3 为压电陶瓷片, 4 为金属后盖板, 5 为预应团螺 钉。 图 1　喇叭形换能器 每相邻两片的压电陶瓷片极化方向相反, 晶片的数目成偶数, 以使前后金属盖板与同一极性的电极 相连, 否则在前后盖板与晶片之间要垫以绝缘垫圈, 两晶片之间, 晶片与金属盖板之间通常夹以薄黄铜 片 (厚度小于 0. 1mm ) , 作为焊接电极引线用; 晶片, 电极铜片, 金属支撑板, 金属前后盖板之间用强力胶 05 28. 收稿日期: 1999 基金项目: 河南省教委科技攻关课题。 第一作者简介: 洪新华 (1957 ) , 男, 河南商城人, 副教授。 © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 

Ù 第 3 期 洪新华等: 超声波驱动电路的研究 97 (例如环氧树脂) 胶合, 预应力螺钉可在环氧树脂固化前或固化后拧紧。由于压电陶瓷的抗压应力远大于 抗拉应力; 胶合层也容易在大振幅情况下在拉伸阶段遭到破坏, 所以加上预应力螺钉把振子的晶片和胶 合部分加上压预应力。以保证器件工作安全。所加预应力的大小应适当控制。为了配合紧凑, 在预应力 镙钉和盖板间要垫锥盘形弹簧垫圈和垫片。加上预应力镙钉对共振频率有小的影响, 而电声转换效率不 变。 所承受的最大功率却可成倍增加, 换能器各部分主要作用如下: 2. 1　振子 压电陶瓷片称振子, 是电声转换的元件, 对于二分之一波长的振子, 振动时, 两端振幅最大, 中间存 在一个振速为零的截面, 称为节面, 节面的位置随着后盖板及晶片堆的密度、声连和尺寸而改变。并在节 面位置放入节板, 以便固定振子和整体考虑换能器结构。如果在振子电极上加上等于振子固有频率的超 声波电压、振子就以正比于此电压振幅的振动, 推动两金属盖板纵向振动, 把超声波能量传播出去。 2. 2　前后金属盖板 金属前盖板用硬铝或镁铝合金等轻金属, 后盖板采用钢或黄铜重金属, 是为使前盖板产生远大于后 盖板的位移量。根据动量守恒定律和换能器工作原理、可知节板两边的动量大小相等, 方向相反, 知其运 动速度与密度成反比。利用铝作为前盖板, 钢作为后盖板, 其位移比率约为三比一。在此种情况下, 轻金 属表面位移较大, 可辐射出振子中贮存的振动能量的较大部分。 轻金属前盖板设计成喇叭形, 可以降低机械 Q 值, 为了增加频带宽度, 并和下一级媒体匹配, 可在 前盖板打上许多小孔, 这样, 可以使硬铝 (比重 2. 7) 和水 (比重 1) 匹配, 以利于超声能量的定向传输。 超声波发生器是一个超声频电子振荡器, 当把振荡器产生的超声频电压加到超声换能器的压电陶 瓷上时, 压电陶瓷元件就在电场作用下产生纵振动。压电元件在超声振荡时, 仿佛是一个小活塞, 其振幅 很小, 约为 1～ 10- 2 m , 但这种振动的加速度很大, 是重力加速度的 10～ 103 倍, 于是把电磁振荡能量 转化为振动能量, 这种巨大的超声波能量, 沿着特定方向传播出来。 2. 3　超声波荡器 (驱动电路) 超声换能器要把电能转变为超声 波能量, 必须对其提供超声频交流信 号, 产生这种信号的电路叫超声波振荡 器, 或超声信号发生器, 又称为超声驱 动电路。 超声信号发生器电路形式很 多, 从有自激式振荡器、他激式振荡器、 自跟踪、锁相环式振荡电路等, 从使用 元 件 来 分 有 双 极 晶 体 管 振 荡 电 路, VM O S 振电路和集成模块式振荡电路 等, 图 2 是一个采用双极性三极功率管 组成的自激式超声振荡电路。 3　电路的工作原理 图 2　超声信号发生器 在 220V 交流输入端, D 5、D 6、D 7、D 8、四个二极管组成的桥式整流电路把交流电压转变为 300V 左 右的直流电压, 并用 C 1、C 2 组成的电容滤波电路滤波、形成比较稳定的直流电压, 这个直流电压以分压 方式作用在高压电容 C 1 和 C 2 上。 由图中可以看出, C 1 两端的电压在形成之后, 作用在 C 1 及相关电路上, 由于 R 1 提供 T 1 基极偏流, T 1 管饱和导通, 并通过 C 5、L 4、L 1 和 P 2T 压电元件组成的电路对 C 5 充电, 在BC 之间形成电压。 同时, 由 C 5、L 4、L 1 和 P 2T 压电元件组成的电路实际上是一个频率固定的串联谐振回路, 其振荡频 率 fs= 1 2Л (L 4+ L 1)C, © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved. 

08 河　南　职　技　师　院　学　报　　 1999 年 而 C 为 C 5 和 P 2T 的等效电容 C’0 串联的总电容, 其量值为 C = C 5C ’0 C 5 + C ’0 在 C 5、C’0、L 4 和L 1 不变的情况下, 串联谐振回路的振荡频率就确定了。 L 4 是一个可变电感, 调整L 4 的大小, 可使回路准确谐振在压电元件的固有频率上。 L 1、L 2、L 3 是同芯电感, 在回路谐振时, L 1 两端形成的电压分别耦合到L 2 和L 3 两电感元件上, 在L 2 和L 3 两端形成电压, 用以控制 T 1 和 T 2 管子的导通和截止。 如在 T 1 导通时对 C 5 充电, 同时在负载回路上形成谐振, 如果L 2 上感应的电压左正右负, 这个电压 就迫使 T 1 截止, L 2 和L 3 的连接方向, 即同合端不能接反。 当L 2 上左正右负电压使 T 1 截止时, L 3 上应 产生左负右正电压使L 2 导通, 此时 C 5 就通过 T 2 构成回路放电。 由于谐振回路的谐振和L 1、L 3 的反馈控制作用, 使 T 1 和 T 2 交替导通和截止, 所以在 C 5、L 4 和 P 2T 组成的串联谐振回路上, 就产生了频率等于压电陶瓷元件固有频率的交流电压信号。 二极管D 3 和D 4 是快恢复二极管, 用于避免 T 1 和 T 2 由导通截止时由电感电路产生的市压的冲击, 保护 T 1 和 T 2 安全。 由D 1、R 3 和D 2、R 4 组成的反向泄放电路的作用有二, (1) 当L 2、L 3 上形成的电压对 T 1 和 T 2 的集电 清洁为反向电压时, 保护其免于反向击穿, (2) 改变 R 3 和 R 4 的大小, 可改变 T 1 和 T 2 的导通角, 形成 T 1 和 T 2 晶体管的发射结的把向偏置, 减小导通角, 防止 T 1 和 T 2 晶体管在开通与关闭转换时同时导通, 形 成短路而烧毁, 保护晶体管, 而且由于控制了导通电流, 因而提高整个电路的工作效率。 4　结　　论 该电路经实际工作试验, 易于起振、工作稳定、安全可靠, 是较好的超声信号发生器。 参考文献 1　吴慎山, 周铁英, 董蜀湘. 圆管型惯性冲量马达的研究. 工科物理, 1995. 1 2　栾桔冬, 张金铎, 王仁乾. 压电换能器和换能器阵. 北京: 北京大学出版社, 1990. 7 3　吴慎山, 刘小萍, 董蜀湘. 压电超声直线马达驱动电路的研究. 河南师范大学学报 (自然科学版) , 1994, 22 (4) : 25～ 27 4　吴慎山, 洪新华. 超声在骨胶生产中的应用. 河南师范大学学报, 1994. 22 (3) 5　周铁英, 董蜀湘, 刘小萍. 超声振子箝位压电直线微动马达研究. 声学学报, 1993. 18 (1) 29～ 33 6　李林功, 李继凯, 谷金宏等. 智能惯性冲量马达的应用研究. 武汉大学学报, 1998, 44 (增刊) 45～ 47 Study on U ltrason ic D riven C ircu it Hong X inhua et a l. (H enan V ocation T echn ical T eachers Co llege, X inx iang 453003) ABSTRACT Stud ied the m echan ism of how to p roduce u ltrason ic and the function s of the m ach ine, analyzed the u ltrason ic d riven circu it and its p rincip le of w o rk ing. KEY WO RD S　p iezoelectr ic effects, an ti- p iezoelectr ic effects, dr iven c ircu it © 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.