功率放大器在柔性压电超声换能器研究中的应用

实验名称：功率放大器基于柔性压电超声换能器水下放射实验中的应用

实验目的：

针对长期辅助治疗骨质损伤的需求,设计了一种可贴附式的柔性压电超声换能器。

实验设备：

主机，信号发生器，功率放大器（ATA-4011），水听器，测试水箱

实验内容：

通过步进电机控制实现测试夹持平台在X、Y和Z轴的上的位移。信号发生器和功率放大器作为激励端，给柔性压电超声换能器一个激励的正弦信号。固定位置的水听器用于水下接收柔性压电超声换能器发射出来的超声波，并通过示波器反馈到主机，进行采集数据。

实验过程：

本次测试首先采用频率为321.15kHz(通过阻抗分析仪先前在水中测得的器件谐振频率）幅值为 10V正弦电压作为柔性压电超声换能器工作的激励信号，使用功率放大器驱动。控制水听器与柔性压电超声换能器的距离为5cm（由于设备自身装配的关系，水听器与待测器件的最小距离为5cm)，并且保证水听器的接收端对准待测器件的中心位置。

黑色的波形是信号发生器产生的波形，蓝色的波形是水听器接收到的波形。从图中可以看出，水听器接收到的超声信号电压峰峰值为31mV。但是在在不改变水听器和柔性压电超声换能器的相对位置和激励电压幅值的情况下，反复改变正弦激励的频率时，发现在频率为357kHz时，水听器接收到的超声信号强度最大。

 

频率为321.15kHz下激励信号波形和接收电压波形

频率为357kHz下激励信号波形和接收电压波形

实验结果：

经过计算和得到的激励电压幅值与超声波声强的关系如图所示。从图中可以看出，当正弦激励信号频率为357kHz、幅值达到100V时，水听器在距离柔性压电超声换能器5cm处测量得到的信号经过计算后，声强为55.33W/m2，换算得5.533mW/cm2。由于本次实验控制的最小距离为5cm，而非完全贴合，因此导致测量得到的声强较小。但从目前实验的数据中可以看出，柔性压电超声换能器产生的低强度超声波具有潜在能力去辅助治疗骨折愈合,其安全性能取决于激励电压幅值的大小和照射时间的长短。

超声波声强与激励电压幅值的关系