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微型声频定向换能器电学特性分析与驱动电路设计

张莹  
【摘要】: 声频定向系统是一种新型音频设备,它能够利用超声波在空气中的非线性交互作用而产生高指向性的可听声。本文的研究对象是应用于便携式移动多媒体设备中的微型声频定向系统,旨在分析其关键组成部分——压电超声换能器(piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer, pMUT)的机电等效特性,确定其等效电路中元件的电学参数。根据换能器电学特性分析结果,设计并制作一款高效率、低失真的驱动电路。 从声频定向系统工作原理入手,分析声波指向性原理以及超声非线性交互作用理论,提出微型声频定向系统结构的设计方案。采用能量等效的方法,推导出压电超声换能器单元的等效电路模型。通过引入换能器的有效机电耦合系数、压电陶瓷的电弹常数以及换能器结构参数确定等效电路中各电气元件数值。将所有换能器单元的等效电路并联起来得到换能器阵的等效电路,当换能器阵工作于谐振频率以及反谐振频率时,它的等效导纳分别达到极大值和极小值。利用阻抗分析仪测试换能器阵的导纳,对比实测数据与等效电路分析结果,验证换能器机电等效模型的正确性。为确保换能器阵具有足够的电功率转化为声功率,设计了一种由功率放大电路、带通滤波电路以及阻抗匹配电路组成的驱动电路。确保将纯净的带有音频信号信息的超声信号功率放大,驱动换能器阵振动发声,减少由换能器阵等效电路中容抗成分产生的无用功。因为换能器阵工作过程中呈现电容性,所以要求设计的电路应具有驱动较大容性负载的能力。 为检验微型声频换能器驱动电路的性能,搭建硬件测试平台,分别测量并对比滤波电路以及功率放大电路的输入与输出信号,测试数据表明,系统驱动电路具有明显的滤波以及功放放大作用。在消声室中,搭建指向性测试试验平台,测试微型声频定向系统的指向性。实验结果显示,微型声频定向系统指向性明显,没有明显旁瓣。


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