论文摘要：大功率压电超声换能器的非线性研究

大功率压电超声换能器已经广泛应用于超声加工、清洗和焊接等领域，并在不断扩大新的应用范围。为了更好发挥压电换能器在大功率下的作用，改善换能器性能，需要从各个方面对大功率压电换能器进行深入的研究。由于换能器工作在大功率状态时，其各项指标往往与小信号下的测量值有很大不同；同时在大信号激励下，换能器的介电性、机电转换与机械特性都将超出常规变化范围，破坏了换能器输入信号幅度与输出信号幅度成正比的关系，即输出量与输入量之比不再是常数，这就是所谓的非线性特征。深入研究换能器的非线性现象，对准确把握换能器的工作状态，提高系统的电声效率有着重要的意义。然而，由于问题的复杂性，目前对压电换能器的非线性尚未有深入的研究与完善的理论。本文以实验研究为主，对大功率压电超声换能器的非线性进行了初步研究，以期对实际生产应用提供有益帮助。
本文从非线性振动理论出发，建立了基于非线性压电方程的换能器弹簧模型，理论上分析了压电参数的变化对换能器振动特性的影响。鉴于工作在大功率状态下的换能器往往是受到高电压驱动，内部产生大应力，同时伴随着不同程度的温升，本文分别研究了温度、应力和驱动电压对换能器特性指标的影响，并对常用超声清洗系统中的非线性现象进行了实验测量和理论分析。
论文的主要创新点及研究结果如下：
（1）大功率情况下，由于压电参数的变化使得换能器类似一个软弹簧系统而产生非线性振动，从而出现跳跃、滞后、共振频率漂移、振幅多频、饱和等现象。基于非线性压电方程可以求解和模拟换能器的非线性振动问题。
（2）对换能器的温度特性进行了理论和实验研究。发现温度对换能器的各指标有明显影响。对于换能器在谐振频率附近等效电路中的各个参数来说，随着温度的升高，会出现静态电容增大、动态电容增大、动态电感减小、动态电阻增大等变化。另外，温度升高会使换能器的谐振频率降低、机械品质因数明显下降。
（3）实际测量了预应力对换能器几个重要指标的影响。实验结果表明，换能器的谐振频率随预应力的增大而有幅度很小的升高；预应力可以改变换能器的动态电阻的大小，当预应力达到合理值时换能器的动态电阻最小；静态电容随预应力的增大而增大。
（4）对大功率超声换能器振动系统来讲，非线性主要来自两个方面。一是电路部分的非线性，主要是指匹配电路以及发生器中的变压器等元件由于存在电磁损耗和磁饱和性，导致大功率下换能器两端的电压不能随发生器输出电压的增加而线性增加；二是换能器本身的非线性振动，主要原因是大功率下压电参数的变化。换能器非线性的总效应是激励电压与振速之间不成线性关系。
（5）通过实验研究了超声清洗系统等效阻抗和驱动电压的关系，发现换能器的等效电阻随驱动电压的增大而增大，水负载的等效电阻随空化强度的增加而减小。系统的实际阻抗的变化是换能器和负载共同作用的结果。
（6）对大功率下换能器的测量电路进行了比较与探讨，认为合理匹配可以降低电路部分的非线性；对换能器在大功率与小信号下的等效电路参数的意义进行比较，认为大功率下对换能器的等效电阻和等效电容的测量比较有实用价值。