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　　大功率超声波发生器_物理_自然科学_专业资料。大功率超声波发生器 1.1 背景 超出人耳接收频率 20KHz 的声波叫做超声波，由于其频率 高、波长短、指向性强、能量容易集中,所以超声波能广泛用于工农 业及其他各个领域［1］ 。超声波发生器是

　　大功率超声波发生器 1.1 背景 超出人耳接收频率 20KHz 的声波叫做超声波，由于其频率 高、波长短、指向性强、超声波能量容易集中,所以超声波能广泛用于工农 业及其他各个领域［1］ 。超声波发生器是将我们生活中所用的 220V 电 转化成与超声波换能器相匹配的超声信号的装置，又被称为超声电 源。可以与换能器匹配的信号既可以是正弦信号也可以是脉冲信号。 目前超声波设备中的频率一般为 20KHz、 25KHz 、28KHz 、33KHz 、 40KHz 、6OKHz 、100KHz［2］ 。超声波的应用分为两大类，一类是利用 较弱的超声来采集信息，如 B 超、无损探伤等。另一类是利用较强的 超声的能量来改变材料的状态和性能称，如石油降粘、超声清洗、等 等，此类应用需产生大功率的应用，我们称之为功率超声［3］ 。 超声波技术作为比较新的高科技技术，它对提高国民生产效率， 降低生产成本具有十分明显的作用， 近年来越来越多新技术都应用了 功率超声，例如超声震动切削，超声悬浮，超声马达等。还有许多新 的领域都尝试应用功率超声技术解决问题。 因此对于大功率超声波发 生器的要求越来越高，设计更高的可控超声电源势在必行。 1.2 超声波发生器的研究现状 超声波发生器的发展与电力电子器件发展密切相关［4］ ，在 20 世 纪，随着电子技术的迅猛发展，超声波电源所用功率器件经历了电子 管、晶体管和 IGBT 共三个阶段。传统的超声波仪是采用振荡器来产 生超声波的，80 年代，改为采用双极型大功率晶体管，后来又采用 绝缘栅双极型功率晶体管（IGBT） ，到 90 年代，开关工作频率达到 100KH。 上世纪 80 年代,信号的功率放大还采用电子管。 采用电子管的唯 一好处是它的动态范围较宽。 这个好处对于音频放大器致关重要但对 超声波发生器没有什么用处。 因此,一旦功率晶体管出现后即遭淘汰。 电子管的缺点很多,例如功耗大、体积大、寿命短、效率低。上世纪 年代 80 到 90 年代中旬,功率晶体管发展己非常成熟。 各种 OCL 及 OTL 电路均适用于发生器。但模拟功率放大器有几个缺点功耗大体积大、 重量重不容易使用现代的微处理器来处理。 随着电力电子器件的发展特别是 VDMOS 管和 IGBT 的发展和成熟, 使得采用开关式发生器成为可能。 开关型发生器的原理是通过调节开 关管的占空比来控制输出的功率。 由于晶体管在截止和饱和导通时的 功耗很小,因此这种开关型发生器的特点是功耗低、效率高体积小、 重量轻可靠性好、与微处理器等配合容易。因此,开关型超声波发生 器是发展的必然趋势。表 1-1 比较了三种器件的性能。 表 1-1 三种超声波发生器的特点 类型 性能 功率 重量 体积 功耗 效率 成本 自动化程度 保护电路 线路方式 大 轻 小 大 高 高 高 复杂 比较简单 小 中 中 小 中 低 中 中 简单 中 重 大 中 低 低 低 简单 简单 功率模块发生器 晶体管发生器 电子管发生器 1.2.1 国外研究现状 1883 年 F Galton 发明的气哨是早的超声发生器。20 世纪 30 年代 Langevin 发明了夹心式压电换能器，促进了低频大功率超声设 备的进展［4］ 。20 世纪 40 年代，W P Mason 发明了与压电换能器连接 能够获得高强度超声的变幅杆，使功率超声在固体媒质得以广泛应 用。此外，他提出的等效网络分析法，为换能器理论的快速发展奠定 了基础［5］ 。20 世纪 60 年代，E Eisner 提出了形状因素的概念，发明 了应力沿杆均匀分布的变幅杆，使位移振幅大幅度提高。同时期，日 本的森荣司提出震动方向变换器， 开创了以功率合成法获得特大功率 的高强度（50Kw 以上）超声的先河。20 世纪 70 年代，森荣司提出了 用来分析二维震动问题的表观弹性法。 到现在发展为用有限元方法分 析三维震动问题。20 世纪 80 年代，日本神奈川大学成功研制了一种 实用的新型焊接装置称为超声波对焊装置，能够对厚度达到 10mm 的 铝板进行对焊接［6］ 。 1.2.2 国内研究现状 20 世纪 50 年代初我国开始了对超声技术的研究。20 世纪 60 年 代以后夹心式换能器成为重点研究对象。 提出换能器的谐振频率和等 效表达式,和实现换能器效率的参量 ,频率可调式换能器开始出 现［7］ 。20 世纪 70 到 80 年代,理论上阐明了半穿孔结构宽频带压电换 能器工作原理。20 世纪 90 年代以来开始研究压电换能器的弯曲、扭 转和复合振动,为压电换能器在工业上的应用奠定基础［8］ 。90 年代以 来,在中国科学院研究所与南京大学声学研究所相继批准建立了国家 重点实验室。 超声技术是一门和电力电子技术密切相关的综合性学科, 电力电子器件的飞速发展对超声技术的发展起到了很大的推动作用。 超声技术发展到现在,我们国家已经研制出应用于超声乳化、超声清 洗、 超声焊接、 超声空化等领域的具有功率可调,频率自动跟踪,过压、 过流保护电路的超声发生器。 目前我国的超声波发生器都是采用世界 上的它激式震荡线路结构,在超声学技术的研究上也取得了长足 的进步,不可否认,在一些方面我国超声波发生器的水平已经达到了 国际先进水平,取得了可喜的成就［9］ 。 1.3 课题研究的意义 自从超声科技问世以来，其发展日新月异，应用日益广泛，已经 取得了良好的社会和经济效益［9］ 。 本课题主要目的是设计一个大功率 超声波功率发生器，并且尽力去提高功率，解决以往放大电路输出功 率不高等问题。 当介质中有声波传播时， 介质发生一系列物理、 化学的超声反应，超声波 包括机械作用，热作用，空化作用等。早在 1981 年的华北油田，我 国就开展超声波在石油领域的运用，通过实验验证了超声波降凝、破 乳及防蜡的可行性。21 世纪，在节能、超声波减排、降耗的要求下，作为 清洁高效的超声技术越来越受到石油行业的重视， 其应用范围也越来 越广，超声波技术在石油采输系统中的应用,主要包括: 超声降粘、 超声驱油、超声解堵、超声防垢和除垢、超声防蜡和除蜡、超声破乳 脱水等面［10］ 。针对以上信息，提出一种效率高、便于实现的大功率 超声波发生器。
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