● 摘要
大功率超声设备一般由超声波发生器和超声波换能器两部分组成。由信号发生器产生特定频率的信号激励换能系统，使系统保持在谐振状态下工作。在大功率超声的各类应用中，声场的分布情况对应用效果的影响起着重要的作用。本文根据声波叠加原理和波动声学理论，利用声波的不相干性和扩散声场的特点设计出一种频率连续变化的窄带多频合成信号激励相应换能系统工作，并结合实验研究对比分析了不同激励方式下矩形声场的分布情况。具体工作包括以下几个方面：
1根据波动声学理论和声波叠加原理分析了单频声波和多频不相干声波在矩形空间的分布情况。研究表明：多频下的声场是由单频大量的简正振动方式叠加与多频不相干声波叠加而成的，且频率越高，简正振动方式越多，声场越均匀。
2 根据白噪声信号在固定频带宽度时频谱连续且均匀的特点，设计出经带通滤波器滤波之后的白噪声信号作为多振子换能系统的激励信号，可以满足系统保持长期稳定工作的需求。本文采用Matlab软件编程生成信号，并经过第三方软件UltraWave将信号引入函数发生器，实现信号的分析。结果发现：白噪声信号经滤波之后幅值很低，不能驱动相应换能系统工作。进一步提出并确定等幅正弦叠加的多频合成信号作为系统的激励信号。
3 将矩形超声换能系统的谐振特性分别在小信号模式和大信号模式下进行测量与分析，以便对合成信号的带宽进行准确设计。研究发现：两种激励方式下系统的谐振特性是不同的，主要表现在：两种方式下系统的谐振带宽均随着频率的增加而加宽；系统在大信号激励方式下谐振频率fs和谐振带宽△fs整体偏大。根据大功率超声换能系统实际工作需要，确定依据大信号激励方式下的谐振频率和谐振带宽作为合成信号参数设计的标准。
4基于大信号方式下测得的谐振带宽△fs，对信号分别在带宽△f＜△fs、△f=△fs、△f＞△fs进行合成信号设计，结合系统工作时的电参数和染色法声场分布与正弦信号激励下的情况进行对比分析。结果表明：合成信号带宽范围设计在△f＜△fs时，系统整体的性能较好，且在高频系统中更为稳定；电参数下的有功功率和电效率相比正弦信号呈现出稍微降低的趋势，且在低频信号表现更为明显，但声场的均匀性都得到一定的改善。而在△f≥△fs，不论是电参数还是声场均匀性方面，效果均不如△f＜△fs信号的情况。综合分析指出合成信号的最佳带宽选取在谐振带宽一般时，即△f=△fs/2，系统的各方面性能最好。
5 测试信号分别选取正弦信号和最佳带宽的合成信号激励矩形换能系统，并通过铜版纸染色法和水听器声压测量法对矩形槽内的声场进行了测量与分析。实验结果表明：在声场均匀性方面，高频声场优于低频声场，合成信号优于正弦信号。声压测点的平均效果表现为合成信号声压相对值大于对应位点正弦信号声压相对值，间接地说明了合成信号的电声转化效率要高于正弦信号。