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Ⅸ气№Ｃ，ＳＣＨ！瞅Ｌ Ｗ，双测Ａ Ⅱ］．计算机仿真，２００６，２３（１）；７８－８０．
［７］
Ｍｎｄｄｉｎｇ ａｎｄ
ｍｅａｓｕｒ蚋ｇ ａｌｌ ｔｈｅ ｄｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ａｌｌ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ
Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ Ｏｎ ＵｌｔｒａｓｏｎｉＣＳ，Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃｓ，ａｎｄ
Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ，２００６，５３（１１）；２１０１—２１１２．
省巷崔鐾点器量函
忍一徽 和（３）式可得换熊器等效输入电阻抗：
（４）
豸一器蒜器臻携燃 考虑惫缆特性静影睫霹ｆ叁（１》、（２）式纛（３）式霹褥羧麓器
等效输入电阻抗：
” （Ｇｔｔ：＋岛黾≥忍＋Ｇ：委ｚ＋Ｑ％
国…
蠢ｊ（冲发生器电缓
换髓器Ａ
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研拳书肆计
ｌ冀。潮Ｒ（）ＮｌＣ电子测量技术 ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ ＴＥＣＨＮＯｌ固ｌＧＹ
筹３ｌ卷第ｌｌ期 ２００８年１１月
超声换能器电阻抗特性研究＊
Hale Waihona Puke 徐遐飞 徐畚广 鸯定褥 周世篷 （北京理工大学机械与弗辆工程学院北京１０００８１）
接簧：为了鹾究超声换能器在发．蠢砉帮接收超声售等时电阻抗酶褥往，对莲声梭溺系统孛戆惩声信弩发射秘搂浚过 程进行建模分析，研究了电缆特性对换能器电阻抗的影响，推导了换能器在发射和接收超声信号时电阻抗的计算公式 和考虑电缆特性时的电阻抗计算公式，研究了换能器在发射和接收超声信号时电阻抗的关系。分析和实验表明，电缆 特性对换戆器电阻抗毒缀大影晌；换蔻器农发砉重纛接收超声信号时静电阻抗糕簿。 关键词：超声换熊器；电阻抗＃电缆特性；模型 中图分类号：Ｔ】Ｂ５５２ 文献标识码：Ａ
阶ｎ阶暖刚ｃ，ｚ－ｌｊＶ” ㈣
其串；ｄｅｔ［Ｃ］＝１。霹榉可泼把换麓器建模残一个二端系 统，如图１所示，在输入端电掌量（ｙ，Ｊ）的影响下，在其输 出端产生声学量（Ｅ，ｑ），［刀是换能器的转换矩阵，在电 学璧朔声学量之阕存在激下关系：
｛Ｙ｝一ｃ明｛三）＝［夏：乏］｛三）
ｃ２，
式孛：ｄｅｔＥＴ］一１，Ｖ翻ｊ楚换能器输入蠛酶电蓬粳毫流，
０引 言
超声换麓器是怒声无损检测系统孛的重要元斧，它蕤 实现电能和声麓曲槽豆转换。在超声检测过程中，换熊器 的性能决定了检测结果的准确性。在众多换能器的性能 参数中，电阻抗是其中的一个重溪参数，它粪接影响换戆 器与电信号发生装置翻电信号接收装置的电路匹配效果。 研究换能器在电一声转换和声～电转换两种状态下电阻 抗的关系，精确测量换能器电阻抗值，可以为换能器与激 发／接收电路之闻酶有效匹配提供数据，减少能量的衰减 和反射，从而提高测量系统的检测精度和增大检测 距离‘ｌ一２Ｉ。
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｅｌｍｒａｅｔｅｒｓ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ’Ｓ ｅｌｅｅｔｒｉｅａｌ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｃｅｐｔｉｏｎ．’ｒｈｅ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｓｉｇｎａｌ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｒｅｃｅｐｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎ ｔｈｅ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔｅｓｔ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ ｃａｂｌｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｅｆｆｅｃｔｓ ａｃｔｉｎｇ ｏｎ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ．ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．１飞ｅ ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ ｆｏｒｍｕｌａｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ’Ｓ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｉｍｐｅｄａｎｏｅｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｃｅｐｔｉｏｎ ａｎｄ ｏｆ ｔａｋｉｎｇ ｉｎｔｏ ｃｏｎｓｉｄｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｃａｂｌｉｎｇ
筹－
瑟１挨蕤器激发怒声整号麓模燮
１．２换能器接收超声信号的建模
越声信号接收部分包括换能器、电缆朔接收器。换能
器在接收莲声信号时，超声髂号作惩在撩畿器表露上戆作
用力为￡脚］：
段一Ｆ’刺牲一禳胡；【３］
（６）
荚孛：雾麓挂是瑕设换戆器表瑟必辫慈嚣换爨器表瑟所受囊
的作用力。毽是挟熊器表面藤点的振动速度。参照超声发
１换熊器激发接收超声信号建模
１．１换能器激发超声信号的建横 超声信号激发部分惫援激麟毫赫净发生器、电缆耱超
声换能器。其中脉冲发生器可以简化为一个线性器件，根
据Ｔｈｅｖｅｎｉｎ定理ｃ３］这个脉冲发生器可以用Ｔｈｅｖｅｎｉｎ等效
电路来建模，如图１所示，这个电路包括一个电压源Ｖｉ（甜） 穰一个串联电阻撬墨≤∞）。在实际超声检测中，掰翅的超 声频率在１ ＭＨｚ到２０ ＭＨｚ之闻，在这个频率范溺内，电 缆特性对电路的影响是不可避免的，在这里把电缆建模为 一个二端系统，如图１所承，［ｃ］是魄缆戆转换矩阵， 划有；
［碡】
Ｗ。辎勋ｏｖ丸Ｍｎｄｄｍｇ ａｎｄ
ｒａｅｓｓｕｒｉｒＩｇ ａｌｌ ｔｈｅ ｅｌｄ瞪眼嗽ｓ ｏｆ ａｎ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｎｏｎｄｅｓｔｒｕｃｔｉｖｅ
ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｓｙｓｔａ－ｎ Ｉ：ｍｏｄｄ啦ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｓ［Ｊ］．Ｒｅｓ
Ｙｏｎｄｅｓｔｒ Ｅｖａｌ，２∞２，１４：１４１—１７６．
Ｅ和轨是换能器表面对介旋的作用力和质点振动速度啊。
＊基金项目：国防科学技术工业委员会“十一嚣”项目（Ｃ２１２０９１２０） ·２４·
万方数据
徐阑飞等：超声换能嚣电阻抗特性研究
第１１期
在换筏器惫奔囊牵辏射超声波鳇遥程中，存在疆封隧撬
玑鬻Ｅ—嚣Ｚ甄学‘黼５］械端满足。
（３）
不考臻毫缆稽毪对按鼗器等效瞧疆撬酶影响薅，壶（２）式
（１４）
先将毫缆Ｂ端开路，就对分剃在电缆的鼹瑞Ａ和辩处测得
（Ｖｌ，ｊ１）纛（Ｖ歼鼙，毛一Ｏ），由（１凄）戴胃得：
１，
ｒ
ｃｌｌ一荸Ｌ，ｃ２１；秽Ｌ
…歼璐
ｙ开羹
（１５）
露将邀缆Ｂ端短路，蘧时分嶷在毫缆懿嚣端Ａ张８薤嚣罨
（Ｈ，ｊ１）和（屹＝０，ｊ摄髂），由（１４）式可得：
１，
ｒ
Ｑ＝芋ｒ上，Ｇ２＝≯
（１６）
ｃｈａｒａｃｔｅｒ ｅｆｆｅｃｔｓ ａｒｅ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｒｅｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ’ｓ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｉｍｐｅｄａｎｃｅｓ ａｔ ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ ａｎｄ ｒｅｃｅｐｔｉｏｎ ｉｓ
ｓｔｕｄｉｅｄ．Ｉｔ ｉＳ ｓｈｏｗｎ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃａｂｌｉｎｇ ｃｈａｒａｃｔｅｒ ａｆｆｅｃｔｓ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ’Ｓ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ’ｓ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｉｍｐｅｄａｎｃｅｓ ａｒｅ ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ ｗｈｅｎ ｉｔ ｇｅｎｅｒａｔｅｓ ａｎｄ ｒｅｃｅｉｖｅｓ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｗａｖｅ ｂｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ；ｔｒａｎｓｄｕｅｅｒｌ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｉｍｐｅｄａｎｃｅ；ｃａｂｌｉｎｇ ｃｈａｍｅｔｅｒ；ｍｏｄｅｌ
‘衄照
｛艇黯
蛾。、Ｇ：、Ｑ，翻ｅ矗与曦信号酶频率案关，它靛涟频率变
化的规律可以通过对脉冲激励下的Ⅵ、ｊ，、ｈ謦和ｌｕ
进萼亍Ｆｏｕｒｉｅｒ变换着由（１５）、＜１８）式得到。图Ｓ是一条两 端都有ＢＮＣ接头静毫缆＜１．５ｍ，５０ｆ１）懿转换矩阵懿赘量
结果，由图５可以看出，电缆特性对换能器电阻抗测量的
影响是不可忽略的。
｛７３
【ｑ
图２换能器接收超声信号的模型
瓣襻在考虑亳缆特谯对换能器嘏爨挽懿彩嚷蹲，换麓
器等效墨白一输一砭出（（电ＣＧＩ｝忑阻羹Ｉ抗Ｔｌｎ：甭÷－４如－Ｃ哥瓦，ｅ２Ｔ）氦霉ｚ，÷）Ｚ爵Ｇ；ｌ瓦＋磊＃Ｃ÷，，瓦岛Ｔ，％ｚ丽＋Ｃ，ｚＴｎ”（１“３）
院较（４）和（１２）式以及（５）和（１３）式弼知，换能器崔发射和 接收超声信号时的电阻抗是相等的。
，霉一黼 影响时，换能器等效输出电阻抗：
（１２≥
图３换能器接收超声信号时输出端开路情况下的 Ｔｈｅｖｅｎｉｎ等效耄豁
２实验验证
垂上述努麟萄絮，毫缆籍莲对换麓嚣毫隧抗辩溺量是 裔影响的，耍褥到电阻抗的精确值藏必须对测爨结果进符 补偿，测量电缆的转换矩阵的原理图如图４所承。由（１）式 蜀褥，
｛ｌ；｝｝一暖圳７№｝
电缆
。
图６电阻抗测爨示意匿
３结 论
由以上研究分析可翔，电缆特性对换能器电戳抗的影 响是不可忽略的，在换能器电阻抗的精确测量中进行相应 的字ｂ偿是必要的，在脉狰回波式的超声检测系统申，激发／ 接收两耀超声换能器在激发窥接收超声信号时的毫阻抗 是相等的，这样通过一次测嫩就能得到换能器在发射和接 收超声信号豫种状态下的电阻抗。由于建模和推导过程 垮不涉及超声信号的传播避程，新泼上述结论在接触式超 声梭测系统中也成立。
ｅｈａｒａ－
ｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ［Ｊ］．Ｒｅｓ Ｎｏｒｄｅｓｔｒ Ｅｖａｌ，２００２，１４：２０３－２０８．
Ｅ９］ ＬｏＰＥ参ＳＡＮＣＨＥＺ Ａ Ｌ，ＳＣＨＭＥＲＲ Ｌ Ｗ．Ｄｅｔｅｒｍｉｒｒ
ａｔｉｏｎ ｏｆ ａｎ ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒ’ｓ ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ
ｉｍｐｅｄａｎｃｅ ｉｎ ａ ｐｕｌｓｅ－ｅｃｈｏ ｓｅｔｕｐ［Ｊ］．ＩＥＥＥ
以用Ｔｈｅｖｅｎｉｎ等效电路来建模，如图３所示，电压源Ｋ就
玩２‰２燕 是换能器的输出端开路电压，
渤
Ｚ就魁换能器在接收超声信号时的等效电阻抗。将图３