功率放大器在激勵壓電陶瓷振動產(chǎn)生超聲場的測試應用
【概述】
2025年天津大學研究團隊發(fā)布論文《Optimizing cavitation performance in bath-type sonoreactor by numerical simulation combining the Keller-Miksis equation and nonlinear Helmholtz equation》；研究中使用Aigtek安泰ATA-308功率放大器，搭建超聲實驗系統(tǒng)。本研究考慮了氣泡空化的非線性行為，基于Keller-Miksis方程的非線性模型提供了一種預測空化效應的模擬方法。為了全面驗證該模擬方法在預測聲場中的準確性，采用了聲空化效應的定性和定量實驗。該方法隨后被用于模擬聲空化三維分布，并分析關鍵工藝參數(shù)對空化性能的影響，為優(yōu)化超聲反應器的結構設計和工業(yè)規(guī)模應用提供了寶貴的指導。模擬結果表明，過高的功率并不一定會增強空化活性，因為空化屏蔽效應可能是抑制聲場強度的主要因素。反應器寬度為聲空化活性提供空間發(fā)展。反應器寬度為10個波長時，有利于有效波疊加，最大限度地優(yōu)化空化體積和分布均勻性。穩(wěn)定的駐波形成依賴于液位。在300毫米寬的反應器中，最佳的空化狀態(tài)在液位對應于4個波長時實現(xiàn)?；谡环治龇椒ǎ_定了空化性能的最佳參數(shù)組合為45瓦功率、10個波長的反應器寬度和6個波長的液位。
實驗名稱：功率放大器在激勵壓電陶瓷振動產(chǎn)生超聲場的測試應用
研究方向：超聲空化
實驗內(nèi)容：通過改變功率放大器的輸入?yún)?shù)來調(diào)控壓電陶瓷的驅(qū)動功率，測量不同實驗條件下所誘導超聲場的聲壓信息。
測試設備：信號發(fā)生器、ATA-308功率放大器、換能器、數(shù)字示波器、水聽器、壓電陶瓷、計算機等。
實驗過程：
圖：實驗測試系統(tǒng)示意圖
圖：實驗測試系統(tǒng)實物圖
超聲實驗系統(tǒng)包括一個產(chǎn)生特定頻率正弦波的信號發(fā)生器，然后通過功率放大器（ATA-308，Agitek）以獲得所需的峰-峰值電壓，換能器的壓電陶瓷在交變電壓信號的激勵下產(chǎn)生位移，傳遞至液體中形成駐波壓力場。具體實驗操作設計如下：
（1）將自來水注入到超聲反應器內(nèi)并控制液位125mm，待液面穩(wěn)定且目測無氣泡后再開機操作。
（2）設置信號發(fā)生器輸出為正弦波，頻率為40kHz，在0~5Vpp范圍內(nèi)調(diào)節(jié)峰峰值電壓，經(jīng)功率放大器放大指定倍數(shù)的電壓，其中放大器增益范圍為0~180倍，正極（紅線）與負極（黑線）輸出導線分別連接到換能器正負極兩端；在電信號激勵下壓電陶瓷產(chǎn)生機械形變，換能器振動通過器壁傳到水中形成聲波輻射。
（3）超聲換能器的工作時間控制在5min以內(nèi)，待測量條件穩(wěn)定后，借助功率放大器并阻抗匹配測量出換能器兩端的電流與電壓，計算出驅(qū)動功率。同時，通過水聽器監(jiān)測水下不同位置點的聲壓信號。
實驗結果：
圖：實驗結果
在指定放大倍數(shù)的設置條件下，測量得到相應位置點的Welch功率譜，該功率譜是一系列線譜與連續(xù)譜的疊加，相應位置點存在基頻對應的超聲波能量（線譜）以及次諧波對應的空化能量（連續(xù)譜）。通過中心軸的聲壓分布曲線，在換能器振動端面的聲壓幅值最大，此后因氣泡空化效應，聲壓能量隨距離的增加而不斷衰減。通過計量電功率法測量出換能器兩端的峰峰電壓為520Vpp，對應的峰峰電流為0.476Ipp，由此計算得到的聲驅(qū)動功率約為30.94W。
安泰放大器在此應用中的產(chǎn)品優(yōu)勢：
1.高電壓輸出能力——產(chǎn)生驅(qū)動電壓，保障超聲空化效應有效激發(fā)
2.寬頻帶與低失真——精確復現(xiàn)30kHz正弦波，保障基頻聲場與諧波測量的準確性
3.增益連續(xù)可調(diào)范圍寬（0~60倍）——實現(xiàn)驅(qū)動功率的精細調(diào)控，適應不同空化強度測試需求
【推薦產(chǎn)品】：ATA-308C功率放大器
圖：ATA-308C功率放大器指標參數(shù)
本文實驗素材由西安安泰電子整理發(fā)布。Aigtek已經(jīng)成為在業(yè)界擁有廣泛產(chǎn)品線，且具有相當規(guī)模的儀器設備供應商，樣機都支持免費試用。西安安泰電子是專業(yè)從事功率放大器、高壓放大器、功率信號源、前置微小信號放大器、高精度電壓源、高精度電流源等電子測試儀器研發(fā)、生產(chǎn)和銷售的高科技企業(yè)。如想了解更多功率放大器等產(chǎn)品，請持續(xù)關注安泰電子官網(wǎng)www.wj539.com或撥打029-88865020。
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