超声换能器方波畸变现象研究

　　压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。利用压电陶瓷将机械能转换成电能的特性,可以制造出压电点火器、移动X光电源、炮弹引爆装置等,电子打火机中就有压电陶瓷制作的火石。另外,还可以用压电陶瓷把电能转换成超声振动(称之为压电陶瓷超声换能器,以下简称超声换能器),可以用来探寻水下鱼群的位置和形状,对金属进行无损探伤,以及超声清洗、超声医疗等。

　　在大学物理实验中的声速测定中,也使用超声换能器来产生和接收超声波[1]。在实验中发现,如果把方波加到超声换能器上,方波会出现波形畸变现象。为了解释这一现象,本文进行了深入的研究。

　　1 压电陶瓷超声换能器的工作原理

　　压电陶瓷是一种具有压电效应的功能材料[2-3]。所谓压电效应,就是指某些介质在力的作用下发生形变,引起该介质表面带电的现象,这是正压电效应。反之,当对这类介质施加一电场时,晶体将产生与电场强度成比例的形变,称为逆压电效应,原理如图1所示。

　　利用逆压电效应,可以把高频电压转换为高频机械振动,从而产生超声波;利用正压电效应可以把超声波振动转换为电信号[4]。

　　给压电陶瓷施加一个电信号—正弦波,压电陶瓷将按正弦波的频率发生受迫振动。如果电信号的频率与压电陶瓷的谐振频率匹配,则机械振动将转变成超声波向外传播[5]。压电陶瓷超声换能器就是根据这一工作原理制成的。

　　2 方波畸变现象

　　本文采用的仪器是TFG1005DDS型函数信号发生器和Tektronix公司的DPO3032型数字荧光示波器。超声换能器就是声速测定实验中的谐振频率为40kHz的探头。

　　给超声换能器加上幅度为10 的方波。当图2中的电键K断开时,示波器显示的波形如图3所示。方波高、低电平位置处出现小的脉冲,此种现象为Gibbs现象[6-7]。这种现象出现在具有不连续的周期信号中,其截断后的傅立叶级数在不连续点附近呈现起伏。

　　如果把图2中的电键K闭合,那么示波器上的波形会发生明显的变化,在方波的高、低电平位置处均出现高频波动,形状与正弦波相似,如图4所示。改变方波的频率,分别为267.4、90.02、54.06、38.55kHz时观察到的波形分别如图4中的(a)、(b)、(c)和(d)所示。仔细研究这种畸变后发现,在改变输入方波的频率时,其高低电平上的波动频率保持不变,约为270kHz左右。

　　由于方波的畸变都与270 kHz左右的频率有关,本文认为是这个频率的谐波分量出现了变化,因此用傅立叶级数理论对这一现象进行分析。

　　3 傅立叶级数理论