题目：压电换能器在并联谐振频率附近的特性及自动频率跟踪的研究

超声技术是声学中发展最迅速、应用最广泛的领域。尤其在近年来，随着电子技术和材料科学等方面的飞速发展，大功率超声技术如超声清洗、超声焊接、超声加工、超声雾化、超声乳化、超声粉碎等在国民经济相关行业中的应用越来越广，这又反过来促进了对功率超声机理和应用等方面的研究。在功率超声产生设备的研究与应用中，自动功率调节和频率跟踪技术是两个重要的课题。通常功率调节功能依靠手动或采用复杂的电路系统来完成，这往往给系统的调试和设计带来困难。根据压电换能器本身的特性，在并联谐振频率fp附近其等效电阻随外界负载的增大而减小，如果保持驱动电压不变，则换能器的输出功率将随负载的增大而增大，这就为依靠换能器本身性能实现自动功率调节提供了条件。而要实现这种功能，必须保持系统工作在fp附近，因此需要实现系统对fp的自动跟踪。
本文采用理论分析与实验相结合的方法，从压电换能器的特性分析及频率跟踪两方面入手，深入研究了换能器fp附近的特性及频率跟踪问题。利用等效电路法，讨论和总结了fp附近压电换能器的特性，并进行了实验验证。通过对目前各种频率跟踪方法的比较，选用了可以使系统获得较高功率因数的锁相式频率跟踪方式进行研究。为了改善锁相系统在用于跟踪换能器串联谐振频率fs时的性能，提出了一种新的方案。针对fp附近采样信号差的问题，提出采用带通滤波器对电流采样信号进行整形，分析了滤波器对换能器频率跟踪的影响，并设计了具体的跟踪电路。锁相式频率跟踪结合换能器并联谐振频率的自动功率调节，在超声设备中是一种理想的工作方式，它能够在不增加电路复杂性的情况下实现换能器功率的自动调节，同时保持系统有较高的功率因数。这对于简化超声设备、提高适应负载能力都是十分有意义的。
通过本文的工作，得出的主要结论如下：
（1）换能器工作在fp附近时，具有很好的自动功率调节性能。通过实验验证了这种调节功能，并得出当电压和电流同相时这种调节性能最佳的结论。
（2）功率调节性能不是只存在于fp一点，而是存在于fp附近的一个范围内。通过讨论，本文给出了这个范围的确定方法。
（3）在fp附近工作的换能器，虽然需要较高的驱动电压，但较低的Q值使其实际承受电压却相对较低，匹配电感的耐压要求也随之降低（但发生器输出变压器的耐压则需提高）。另一方面，由于此处的电流波形较差，会给控制带来一定困难。
（4）当用锁相环跟踪fs时，在电路中加入解锁部分，可以扩大锁相环的跟踪范围，增强其适应瞬时负载变化的能力，是一种非常实用的方案。
（5）利用带通滤波器可以改善电流取样信号的波形，从而实现换能器fp的跟踪。
（6）利用锁相环跟踪fp时，跟踪频率点既可以由匹配电路的电感量决定，也可以由带通滤波器的中心频率决定。
（7）只有当带通滤波器的中心频率与换能器的fp重合时，滤波器才不会对跟踪产生频率漂移。因此，自动调节带通滤波器的中心频率对于换能器fp的跟踪有重要意义。
（8）用锁相环频率跟踪系统对两个并联的换能器实现了fp附近的跟踪。