功率放大器在激励压电陶瓷振动产生超声场的测试应用
【概述】
2025年天津大学研究团队发布论文《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，搭建超声实验系统。本研究考虑了气泡空化的非线性行为，基于Keller-Miksis方程的非线性模型提供了一种预测空化效应的模拟方法。为了全面验证该模拟方法在预测声场中的准确性，采用了声空化效应的定性和定量实验。该方法随后被用于模拟声空化三维分布，并分析关键工艺参数对空化性能的影响，为优化超声反应器的结构设计和工业规模应用提供了宝贵的指导。模拟结果表明，过高的功率并不一定会增强空化活性，因为空化屏蔽效应可能是抑制声场强度的主要因素。反应器宽度为声空化活性提供空间发展。反应器宽度为10个波长时，有利于有效波叠加，最大限度地优化空化体积和分布均匀性。稳定的驻波形成依赖于液位。在300毫米宽的反应器中，最佳的空化状态在液位对应于4个波长时实现。基于正交分析方法，确定了空化性能的最佳参数组合为45瓦功率、10个波长的反应器宽度和6个波长的液位。
实验名称：功率放大器在激励压电陶瓷振动产生超声场的测试应用
研究方向：超声空化
实验内容：通过改变功率放大器的输入参数来调控压电陶瓷的驱动功率，测量不同实验条件下所诱导超声场的声压信息。
测试设备：信号发生器、ATA-308功率放大器、换能器、数字示波器、水听器、压电陶瓷、计算机等。
实验过程：
图：实验测试系统示意图
图：实验测试系统实物图
超声实验系统包括一个产生特定频率正弦波的信号发生器，然后通过功率放大器（ATA-308，Agitek）以获得所需的峰-峰值电压，换能器的压电陶瓷在交变电压信号的激励下产生位移，传递至液体中形成驻波压力场。具体实验操作设计如下：
（1）将自来水注入到超声反应器内并控制液位125mm，待液面稳定且目测无气泡后再开机操作。
（2）设置信号发生器输出为正弦波，频率为40kHz，在0~5Vpp范围内调节峰峰值电压，经功率放大器放大指定倍数的电压，其中放大器增益范围为0~180倍，正极（红线）与负极（黑线）输出导线分别连接到换能器正负极两端；在电信号激励下压电陶瓷产生机械形变，换能器振动通过器壁传到水中形成声波辐射。
（3）超声换能器的工作时间控制在5min以内，待测量条件稳定后，借助功率放大器并阻抗匹配测量出换能器两端的电流与电压，计算出驱动功率。同时，通过水听器监测水下不同位置点的声压信号。
实验结果：
图：实验结果
在指定放大倍数的设置条件下，测量得到相应位置点的Welch功率谱，该功率谱是一系列线谱与连续谱的叠加，相应位置点存在基频对应的超声波能量（线谱）以及次谐波对应的空化能量（连续谱）。通过中心轴的声压分布曲线，在换能器振动端面的声压幅值最大，此后因气泡空化效应，声压能量随距离的增加而不断衰减。通过计量电功率法测量出换能器两端的峰峰电压为520Vpp，对应的峰峰电流为0.476Ipp，由此计算得到的声驱动功率约为30.94W。
安泰放大器在此应用中的产品优势：
1.高电压输出能力——产生驱动电压，保障超声空化效应有效激发
2.宽频带与低失真——精确复现30kHz正弦波，保障基频声场与谐波测量的准确性
3.增益连续可调范围宽（0~60倍）——实现驱动功率的精细调控，适应不同空化强度测试需求
【推荐产品】：ATA-308C功率放大器
图：ATA-308C功率放大器指标参数
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