附录 J:比较 — 短路谐振与开路谐振

换能器通常在短路谐振开路谐振处(或其附近)工作。(短路谐振也称为串联谐振或简称谐振。开路谐振也称为并联谐振或反谐振。)

振幅

在短路谐振时,阻抗相对较低,因此较小的驱动电压即可激励出较大的振幅。如果驱动电压保持恒定,换能器的振幅将随负载增大而迅速跌落。从这个意义上说,短路谐振类似于串励电机——其转速与负载成反比。

相比之下,开路谐振时的阻抗相对较高,因此需要较大的驱动电压才能激励出合理的振幅。如果驱动电压保持恒定,换能器的振幅随负载增大仅会略有下降(直到中等负载)。从这个意义上说,开路谐振类似于并励电机——无论负载如何,其转速都相对恒定。

损耗

Hirose[1] 研究了单片以 31 模式纵向驱动的压电陶瓷的损耗(Q)。他讨论了陶瓷损耗的成因(第 3 节),并表明(在理论上)反谐振工作(并联谐振)的损耗应低于谐振工作(串联谐振)。第 5 节的实验结果与这一结论一致。在 Hirose 的图 2(即本文图 J1)中,反谐振的品质因数 \( Q_B \) 高于谐振的 \( Q_A \),而反谐振的温升(由损耗引起)低于谐振。请注意,这些结果针对的是长度以 31 模式谐振的单片陶瓷(即电场沿压电陶瓷厚度方向施加,所产生的振动沿压电陶瓷长度方向)。可以推想,对于作为换能器组件一部分的非谐振陶瓷,这些一般性结论仍然成立。

图 - 串联谐振和并联谐振的 Q 与温升
图 J1. 短路谐振("A" 曲线)和开路谐振("B" 曲线)的
Q 与温升

Prokic[1](第 3.2-6 页)对 Branson 20 kHz 换能器进行了功率加载试验。功率先在空气中(装有钟形变幅杆)测量,随后在钟形变幅杆逐渐浸入水中的过程中测量。换能器振幅保持恒定在 20 微米峰峰值。

这些试验表明,在空载条件(即在空气中)直至中等负载下,开路谐振的损耗低于短路谐振。然而,在较大负载下,情况恰好相反。

(应当指出,Branson 的换能器是按开路谐振工作设计的,因此陶瓷厚度和陶瓷片数可能并未针对短路谐振进行优化。例如,由于短路谐振所需的驱动电压较低,可以使用数量更少但更厚的陶瓷而不必担心电弧放电。)

电源方面的考虑

与短路谐振相比,开路谐振的阻抗非常高,因此在给定输出功率下电流通常较低。Mathieson[1](第 56 页)指出:"在开路条件下驱动也被认为是有利的,因为换能器的电流消耗较低,因此在系统设计中可以采用标准的、相对廉价的电源变压器……"

Q

如果设备发生故障而使用户成为接地通路,开路谐振下相对较低的电流可能减轻对用户的伤害。

物理方面的考虑

 

并联谐振 --> 高电压 ==>

  • 陶瓷厚度受最大允许场强限制
  • 电弧放电 -