(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111632628.X (22)申请日 2021.12.2 9 (71)申请人 杭州电子科技大 学 地址 310018 浙江省杭州市钱塘区白杨街 道2号大街 (72)发明人 陈张平　赵兴红　孔亚广　赵晓东　 张帆　黄娜　潘昊晨　 (74)专利代理 机构 浙江千克知识产权代理有限 公司 33246 代理人 周雷雷 (51)Int.Cl. G06F 30/36(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种超声换能器负载等效模型建模方法 (57)摘要 本发明涉及一种超声换能器负载等效模型 建模方法。 本发明包括以下步骤S1、 基于等效电 路理论构建超声换能器机电等效模型； S2、 将超 声换能器机电等效模型输入到MATLAB仿真环境 中； S3、 通过比对方法， 确定压力负载下超声换能 器输入阻抗特性； S4、 基于确定的输入阻抗特性， 通过叉值映射法匹配该压力负载下的最优阻抗； S5、 运用最小 二乘法对超声换能器所加压力负载 与最优阻抗进行曲线拟合。 本发 明通过叉值映射 法找得动态压力负载下对应的最优阻抗， 通过最 小二乘法对系列数据进行拟合， 得到最优函数关 系式。 基于此换能器压力负载与阻抗等效模型， 仅需给定一压力， 即可 快速、 准确得到阻抗。 权利要求书2页 说明书6页 附图6页 CN 114297970 A 2022.04.08 CN 114297970 A 1.一种超声换能器负载等效模型建模方法， 其特 征在于该 方法包括以下步骤： S1、 基于等效电路理论构建超声换能器机电等效模型； S2、 将超声换能器机电等效模型输入到 MATLAB仿真环境中； S3、 在MATLAB仿真环境下， 通过比对方法， 确定 压力负载 下超声换能器输入阻抗特性； S4、 基于确定的输入阻抗特性， 通过 叉值映射法匹配该压力负载 下的最优阻抗； S5、 运用最小二乘法对 超声换能器所加压力负载与最优阻抗进行曲线拟合。 2.根据权利要求1所述的一种超声换能器负载等效模型建模方法， 其特征在于： 在S1 中， 应用等效电路理论分析超声换能器所加压力负载与阻抗关系， 对金属前后盖板和压电 陶瓷晶堆的等效模型进行整合， 公式表示 为： 其中， Zl为金属后盖板总阻抗， Zr为金属前盖板总阻抗， Z3p′为压电陶瓷圆环等效六端网 络的串并联阻抗， C0为晶片截止电容， ω为纵波角频率， Zi为输入阻抗。 3.根据权利要求1所述的一种超声换能器负载等效模型建模方法， 其特征在于： 在S2 中， 基于所使用的超声换能器压电陶瓷片、 金属前后盖板相关参数信息， 在MATLAB仿 真环境 中， 对超声换能器加载不同大小压力时对应的幅频、 相频曲线； 同时对所选超声换能器进行加载电学特性实验： 假设加载过程中输入阻抗特性变化范 围为纯阻性、 感性、 容性， 根据超声换能器的部件参数信息和等效模型计算式， 可得到超声 换能器在不同特性输入阻抗下对应的幅频、 相频曲线。 4.根据权利要求1所述的一种超声换能器负载等效模型建模方法， 其特征在于： 在S3 中， 通过对比分析得到， 当输入阻抗为纯阻性时， 随着输入阻抗的值增大， 幅值曲线的峰值 下降， 相频曲线占比空间减小， 在达到一定值后， 超声 换能器输入阻抗开始呈容性特性且半 功率点等负载特征参数不存在； 当输入阻抗为容性时， 随着其值的增大， 幅值曲线有所下 降， 且幅频、 相频曲线都向右移动， 整个扫频范围内输入阻抗特性呈容性； 当输入阻抗为感 性时， 幅频、 相频曲线向左移动。 5.根据权利要求1所述的一种超声换能器负载等效模型建模方法， 其特征在于： 在S4 中， 所述叉值映射法如下： 超声换能器的频率和阻抗特性是影响其工作性能的关键因素， 综合考虑， 选择正向谐 振频率Fs、 半功率点F1、 动态电阻R三个负载特征参 数进行研究； 由S3得到超声换能器在压力 负载下输入阻抗呈容性特性， 选择容性阻抗范围为0～1000 ‑1000j进行分析； 在MATLAB仿真 环境中， 将超声换能器的前后金属盖板及压电陶瓷晶堆相关参数信息作为基础信息输入， 部件等效表达式作为计算部分输入， 基于以上信息， 计算得到超声换能器在所选容性阻抗 范围内对应的系列负载特征参数值， 并绘制出以负载特征参数值、 容性阻抗实部和虚部构 成的三维空间图， 其中负载 特征参数值 为Z轴、 容性阻抗实部为X轴和容 性阻抗虚部为Y轴； 通过对超声换能器前盖板增加砝码重量为0～kN进行m组实验， 测得m组负载特征参数 数据， 任意选取其中一组数据； 如选取施加F＝20N的压力时， 根据PV520A阻抗分析仪测得的 数据Fs＝20030.4Hz， F1＝19998.7Hz， R＝15.674Ω； 为找到所研究的负载特征参数在容性阻抗范围为0～1000 ‑1000j内全部相同值， 在其权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114297970 A 2范围内， 对所选施加20N力时阻抗仪测得的负载特征参数值在三维空间体系中各自做一定 值水平面， 三个定值水平面分别对所绘的三维图形进行 水平等值截面， 得到三条相交曲线； 为直观观察相交曲线在二维坐标系的位置， 将由两个曲面相交得到的交叉曲线， 一一 映射到二维坐标系， 得到三条映射曲线； 将通过映射得到的三条映射曲线进行合并， 得到负载特征参数(Fs、 F1、 R)三条映射曲线 相交所得的三个交点， 即A、 B、 C三点； 为找到与三条映射曲线距离相等的点， 对三个交点做 三角形的最大内切圆， 可以得到内切圆的圆心D， 此圆心 值即可近似为超声换能器在所加压 力负载对应的最优阻抗； 根据PV520A阻抗分析仪测得的m组数据， 选取下一组数据， 重复定值截面、 映射相交曲 线、 合并交线、 做内切圆， 得到超声换能器在施加不同压力负载时对应的最优阻抗。 6.根据权利要求1所述的一种超声换能器负载等效模型建模方法， 其特征在于： 在S5 中， 通过对进行大量的实验得到的实验数据进行 分析得到， 最优阻抗(Areal‑Bimagj)与所加压 力F存在一定的关联， 运用最小二乘法对超声换能器所加压力与最优阻抗进行曲线拟合， 得 到的拟合函数式； 至此， 超声 换能器动态压力负载与输入阻抗的等效模型建立完成， 随意施 加一压力负载， 通过 所建立的等效模型即可 得到输入阻抗。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114297970 A 3