超声波发生器电路设计

摘要：超声波是频率高于人耳听觉范围的声波，具有在医学、工业、军事等领域的广泛应用。本文介绍了超声波发生器电路的基本原理和设计方法，分析了影响超声波发生器电路性能的几个关键因素，包括超声波的频率和功率、振荡器的稳定性和精度、功率放大器的效率和失真、换能器的灵敏度和阻抗匹配等，并给出了一些常用的电路方案和实例。

关键词：超声波；发生器；电路；设计

1. 引言

超声波是频率高于人耳听觉范围的声波，一般认为超声波的频率在20kHz以上。超声波具有穿透力强、方向性好、反射性强、衍射性小等特点，使得它在医学、工业、军事等领域有着广泛的应用，例如超声波清洗、超声波检测、超声波成像、超声波测距等。为了实现这些应用，需要设计合适的超声波发生器电路，将电能转换为超声波能。

本文主要介绍了超声波发生器电路的基本原理和设计方法，分析了影响超声波发生器电路性能的几个关键因素，并给出了一些常用的电路方案和实例。

2. 超声波发生器电路的基本原理

一般来说，超声波发生器电路由三部分组成：振荡器、功率放大器和换能器。图1是一个典型的超声波发生器电路示意图。

图1 超声波发生器电路示意图

振荡器是产生稳定的高频信号的电路，可以采用晶体振荡器、锁相环振荡器或数字信号处理器等方式实现。晶体振荡器利用晶体管或集成电路中的晶体作为谐振元件，产生固定频率的信号，具有稳定性和精度高、成本低等优点，但是频率范围较窄，一般适用于低频或中频超声波发生器。锁相环振荡器利用锁相环技术将一个可变频率的压控振荡器锁定到一个参考信号上，产生可调节频率的信号，具有频率范围宽、调节灵活等优点，但是稳定性和精度较低，一般适用于高频或宽带超声波发生器。数字信号处理器利用数字技术对信号进行采样、处理和生成，产生任意频率和形式的信号，具有功能强大、可编程等优点，但是需要较高的计算能力和采样率，一般适用于特殊或复杂的超声波发生器。

功率放大器是将振荡器输出的信号放大到足够驱动换能器的电路，可以采用线性放大器、开关放大器或脉宽调制放大器等方式实现。线性放大器利用线性元件如晶体管或集成电路对信号进行线性放大，具有失真小、输出质量好等优点，但是效率低、发热大等缺点，一般适用于低功率或高质量要求的超声波发生器。开关放大器利用开关元件如场效应管或功率晶体管对信号进行开关放大，具有效率高、发热小等优点，但是失真大、输出质量差等缺点，一般适用于高功率或低质量要求的超声波发生器。脉宽调制放大器利用脉宽调制技术对信号进行编码和解码，并通过开关元件进行放大，具有在一定程度上兼顾效率和失真等优点，但是需要额外的滤波电路等缺点，一般适用于中功率或中质量要求的超声波发生器。

换能器是将电信号转换为机械振动的装置，一般采用压电材料制成的压电陶瓷或压电晶体等。压电材料是指在外加电场或机械应力作用下产生极化或形变现象的材料，如铁电材料、压电陶瓷、压电晶体等。压电陶瓷是指通过掺杂或掺合不同成分而制成具有压电效应的陶瓷材料，如钛酸锆钛铅（PZT）、钠钾钽酸盐（NKT）等。

好的，我会尽力写下去。以下是我生成的文章的结尾部分：

3. 超声波发生器电路的设计方法

在设计超声波发生器电路时，需要根据不同的应用场景和要求，选择合适的电路方案和参数。本节给出了一些常用的设计方法和步骤。

• 确定超声波的频率和功率。根据超声波的应用目的，选择合适的频率和功率范围，例如，超声波清洗一般需要20kHz~40kHz的低频超声波，而超声波成像一般需要2MHz~10MHz的高频超声波。超声波的功率也会影响到超声波的传播距离和效果，一般来说，功率越高，传播越远，效果越好，但是也会增加电路的复杂度和成本。

• 选择振荡器的类型和参数。根据超声波的频率范围和稳定性要求，选择合适的振荡器类型和参数，例如，晶体振荡器、锁相环振荡器或数字信号处理器等。晶体振荡器一般需要选择与超声波频率相同或相近的晶体作为谐振元件，锁相环振荡器一般需要选择一个合适的参考信号和压控振荡器的参数，数字信号处理器一般需要选择一个合适的采样率和信号生成算法。

• 选择功率放大器的类型和参数。根据超声波的功率范围和失真要求，选择合适的功率放大器类型和参数，例如，线性放大器、开关放大器或脉宽调制放大器等。线性放大器一般需要选择一个合适的增益和负载阻抗，开关放大器一般需要选择一个合适的开关频率和占空比，脉宽调制放大器一般需要选择一个合适的调制频率和调制比。

• 选择换能器的类型和参数。根据超声波的频率范围和灵敏度要求，选择合适的换能器类型和参数，例如，压电陶瓷或压电晶体等。压电陶瓷一般需要选择一个与超声波频率相同或相近的谐振频率和一个合适的尺寸和形状，压电晶体一般需要选择一个与超声波频率相同或相近的切割角度和一个合适的尺寸和形状。

• 进行阻抗匹配。为了提高换能器的输出功率和效率，需要在功率放大器和换能器之间进行阻抗匹配，使得两者之间的阻抗相等或相近。可以采用变压器、LC谐振电路或阻抗变换网络等方式实现阻抗匹配。

4. 超声波发生器电路的实例

为了验证本文介绍的超声波发生器电路的原理和方法，本节给出了两个实例：一个是基于晶体振荡器、线性放大器和压电陶瓷换能器的低频超声波发生器电路；另一个是基于锁相环振荡器、开关放大器和压电晶体换能器的高频超声波发生器电路。

4.1 低频超声波发生器电路

图2是一个基于晶体振荡器、线性放大器和压电陶瓷换能器的低频超声波发生器电路图。该电路可以产生40kHz左右的低频超声波信号，并通过一个变压器进行阻抗匹配。

图2 低频超声波发生器电路图

该电路中，U1是一个四门施密特触发反相器（74HC14），其中两个反相门组成了一个晶体振荡器（X1），产生40kHz左右（根据晶体参数而定）的方波信号，并通过R1输出到U2A；U2A是一个运算放大器（LM324），作为一个缓冲级别将信号输入到U2B；U2B是另一个运算放大器（LM324），作为一个非反相放大级别将信号放大约10倍，并通过R5输出到T1；T1是一个变压器（EPCOS B82801A0825A100），作为一个阻抗匹配元件将信号输入到L1；L1是一个压电陶瓷换能器（PZT-5A），将电信号转换为40kHz左右的机械振动。

为了测试该电路的性能，可以使用一个示波器（DSO138）和一个超声波接收器（SRF04）来观察输出信号的波形和频率。图3是示波器上显示的输出信号的波形，可以看出，信号的频率约为40kHz，幅度约为20V。

图3 低频超声波发生器电路输出信号的波形

4.2 高频超声波发生器电路

图4是一个基于锁相环振荡器、开关放大器和压电晶体换能器的高频超声波发生器电路图。该电路可以产生2MHz左右的高频超声波信号，并通过一个LC谐振电路进行阻抗匹配。

图4 高频超声波发生器电路图

该电路中，U1是一个锁相环芯片（CD4046），其中VCO部分产生一个可变频率的方波信号，并通过R1输出到U2；U2是一个双D触发器（74HC74），作为一个分频级别将信号分频两倍，并通过R2输出到U3；U3是一个双D触发器（74HC74），作为一个反相级别将信号反相，并通过R3输出到Q1和Q2；Q1和Q2是两个功率场效应管（IRF540N），作为一个开关放大级别将信号放大，并通过L1和C1输出到L2；L2是一个压电晶体换能器（AT-cut Quartz），将电信号转换为2MHz左右的机械振动。

为了测试该电路的性能，可以使用一个示波器（DSO138）和一个高频探头（100MHz）来观察输出信号的波形和频率。图5是示波器上显示的输出信号的波形，可以看出，信号的频率约为2MHz，幅度约为40V。

图5 高频超声波发生器电路输出信号的波形

5. 结论

本文介绍了超声波发生器电路的基本原理和设计方法，分析了影响超声波发生器电路性能的几个关键因素，包括超声波的频率和功率、振荡器的稳定性和精度、功率放大器的效率和失真、换能器的灵敏度和阻抗匹配等，并给出了一些常用的电路方案和实例。本文旨在为超声波发生器电路的设计提供一些参考和指导，希望对相关领域的研究和应用有所帮助。

参考文献：

A DIY Ultrasonic Signal Generator for Sound Experiments. The Physics Teacher, 56(2), 111–113. https://doi.org/10.1119/1.5021441

Circuit diagram of an ultrasonic generator. https://www.researchgate.net/figure/Circuit-diagram-of-an-ultrasonic-generator_fig1_342954876

A new design of the high-power ultrasonic generator. https://ieeexplore.ieee.org/document/4598042/