功率放大器在激励压电陶瓷振动产生超声场的测试应用

实验名称：功率放大器在激励压电陶瓷振动产生超声场的测试应用

研究方向：超声空化

实验内容：通过改变功率放大器的输入参数来调控压电陶瓷的驱动功率，测量不同实验条件下所诱导超声场的声压信息。

测试设备：信号发生器、ATA-308功率放大器、换能器、数字示波器、水听器、压电陶瓷、计算机等。

实验过程：

图：实验测试系统示意图

图：实验测试系统实物图

超声实验系统包括一个产生特定频率正弦波的信号发生器，然后通过功率放大器（ATA-308，Agitek）以获得所需的峰-峰值电压，换能器的压电陶瓷在交变电压信号的激励下产生位移，传递至液体中形成驻波压力场。具体实验操作设计如下：

（1）将自来水注入到超声反应器内并控制液位125mm，待液面稳定且目测无气泡后再开机操作。

（2）设置信号发生器输出为正弦波，频率为40kHz，在0~5Vpp范围内调节峰峰值电压，经功率放大器放大指定倍数的电压，其中放大器增益范围为0~180倍，正极（红线）与负极（黑线）输出导线分别连接到换能器正负极两端；在电信号激励下压电陶瓷产生机械形变，换能器振动通过器壁传到水中形成声波辐射。

（3）超声换能器的工作时间控制在5min以内，待测量条件稳定后，借助功率放大器并阻抗匹配测量出换能器两端的电流与电压，计算出驱动功率。同时，通过水听器监测水下不同位置点的声压信号。

实验结果：

图：实验结果

在指定放大倍数的设置条件下，测量得到相应位置点的Welch功率谱，该功率谱是一系列线谱与连续谱的叠加，相应位置点存在基频对应的超声波能量（线谱）以及次谐波对应的空化能量（连续谱）。通过中心轴的声压分布曲线，在换能器振动端面的声压幅值最大，此后因气泡空化效应，声压能量随距离的增加而不断衰减。通过计量电功率法测量出换能器两端的峰峰电压为520Vpp，对应的峰峰电流为0.476Ipp，由此计算得到的声驱动功率约为30.94W。

功率放大器推荐：ATA-308C功率放大器

图：ATA-308C功率放大器指标参数

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审核编辑 黄宇