功率放大与变换装置（功率放大器的仿真分析）

实验名称：基于柔性压电超声换能器的功率放大器在水下辐射实验中的应用

目的：

针对骨损伤长期辅助治疗的需要，设计了一种可附着式柔性压电超声换能器。

实验室设备：

主机、信号发生器、功率放大器（ATA-4011）、水听器、测试水箱

实验内容：

测试夹具平台在X、Y、Z轴上的位移是通过步进电机控制实现的。信号发生器和功率放大器作为激励端，向柔性压电超声换能器提供激励正弦信号。固定位置水听器用于接收水下柔性压电超声换能器发出的超声波，并通过示波器反馈给主机采集数据。

实验过程：

本次测试首先采用频率为321.15kHz（之前用阻抗分析仪在水中测得的器件谐振频率）、幅度为10V的正弦电压作为柔性压电超声换能器工作的激励信号，由功率放大器。控制水听器与柔性压电超声换能器的距离为5cm（由于设备本身装配的原因，水听器与被测设备的最小距离为5cm），并保证水听器接收端与被测设备的中心位置对齐。

黑色波形是信号发生器产生的波形，蓝色波形是水听器接收到的波形。从图中可以看出，水听器接收到的超声波信号峰峰值电压为31mV。然而，在不改变水听器与柔性压电超声换能器相对位置和激励电压幅值的情况下，反复改变正弦激励的频率时，发现在频率为357 kHz时，水听器接收到的超声波为信号强度最大。

频率为321.15kHz的激励信号波形和接收电压波形

频率为357kHz时的激励信号波形和接收电压波形

实验结果：

计算得到的激励电压幅值与超声波强度的关系如图所示。从图中可以看出，当正弦激励信号频率为357kHz，幅度达到100V时，水听器在距柔性压电超声换能器5cm处测得的信号声强经计算为55.33W/m2 。转换为5.533mW/cm2。由于本次实验控制的最小距离为5cm，并非完美契合，因此测得的声强较小。但从目前的实验数据可以看出，柔性压电超声换能器产生的低强度超声具有辅助治疗骨折愈合的潜力，其安全性能取决于激励电压的幅值和照射时间的长度。

超声波强度与激励电压幅值的关系