基于二维椭圆超声振子的制作和振动特性测试应用

实验名称：功率放大器基于二维椭圆超声振子的制作和振动特性测试应用

实验目的：检测并验证所制作的压电陶瓷振子的实际谐振频率是否和设计相同

实验内容：

通过在一大块压电陶瓷上分割电极，实际上起到四片压电陶瓷并列排放的效果，电极的材料为Ag，通过镀膜的方法镀在压电陶瓷表面，压电陶瓷和304不锈钢基体通过环氧树脂胶粘接，实现振动的传递。

实验过程：

谐振特性分析所用的电路图如图所示，频率特性分析仪提供扫频的输出信号，并可以测量压电陶瓷振子两端的电压和通过压电陶瓷振子的电流，功率放大器（ATA-4052)将输入信号放大后加到振子电路中，压电陶瓷振子串联一欧姆标准电阻。扫频范围为20k—30kHz。其中当只有间隔的两个电极通电时，振子的B4模态被激励，当四个电极同时通电时，振子的L1模态被激励。

椭圆超声振子谐振特性分析电路图

实验结果：

从图中可以看出，振子B4模态的谐振频率为24.10kHz，反谐振频率为24.22kHz，L1模态的谐振频率为24.01kHz，反谐振频率为24.24kHz。两种振动模式的谐振频率之间的差异约为0.09kHz，在使用该超声振子时这种程度的误差在允许范围内。此外，由于两个振荡模式之间的共振频率差较小，因此对于纵向和弯曲振动都可以在同一频率下获得最大振幅，此时合成的椭圆振动的振幅将是最大的。

另一方面，两种振动模式中的反共振点之间的差异约为0.02kHz，差异很小。因为当超声振子在共振点被激励时，虽然阻抗很小并且振幅最大。但是，如果使用接近共振点的频率，对压电陶瓷会施加比较大的负荷，这可能导致压电陶瓷材料的破裂或破裂。而当在反共振点处激励时，阻抗增加并且功耗最小化。因此，激励信号的频率通常位于反共振点，0.02kHz的差异符合要求。因此可知，图所示的振子在24.22kHz的频率下激励时会产最优的超声椭圆轨迹。

L1模态的阻抗特性曲线

B4模态的阻抗特性曲线

两种振动模式中的反共振点之间的差异约为0.02kHz，差异很小。因为当超声振子在共振点被激励时，虽然阻抗很小并且振幅最大。但是，如果使用接近共振点的频率，对压电陶瓷会施加比较大的负荷，这可能导致压电陶瓷材料的破裂或破裂。而当在反共振点处激励时，阻抗增加并且功耗最小化。因此，激励信号的频率通常位于反共振点，0.02kHz的差异符合要求。因此可知，如图所示的振子在24.22kHz的频率下激励时会产最优的超声椭圆轨迹。

L1模态和B4模态的阻抗特性对比

安泰功率放大器ATA-4052主要指标：

ATA4000是一款理想的可放大交、直流信号的高压功率放大器，最大输出310Vp-p（±155Vp）电压，452Wp功率，可以驱动高压功率型负载。可广泛用于超声波测试、声呐系统应用和MEMS测试等