CN109977557B - 一种适用于电声纵振换能器等效电路的建模方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种适用于电声纵振换能器等效电路的建模方法，该电声纵振换能器的整体等效电路，包括：交流线圈的第一等效电路、直流偏置线圈和线性直流电源的串联电路的第二等效电路、机械等效阻抗网络、三绕组等效变压器，该方法通过对第一等效电路、第二等效电路、机械等效阻抗网络、三绕组等效变压器进行分别构建，最终整合得到该整体等效电路，无需考虑三绕组等效变压器的实际绕法，同时考虑到第二等效电路对该电声纵振换能器阻抗的影响，对电声纵振换能器具有一定的通用性，且能较好的反映电声纵振换能器的阻抗特性，使得整体等效电路的响应比较精确，进一步的，为功率放大器以及电声纵振换能器之间的阻抗匹配提供指导。
Description
技术领域
本发明实施例涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种适用于电声纵振换能器等效电路的建模方法。
背景技术
电声纵振换能器作为电能和声能相互转换的关键设备，其工作原理是利用磁致伸缩材料的磁致伸缩效应实现电能和机械能的相互转换。由于磁致伸缩材料的具有应变大、能量密度高、低频响应快、响应频带宽等特点，是制作大功率、低频、宽频带海洋通讯电声换能器的理想材料。对于磁致伸缩换能器而言，磁致伸缩棒需要工作在偏置磁场中，一般采用直流线圈加载直流电流来施加偏置磁场，使其达到偏置磁场大小可调，以便适应水压变化以及深海环境。
超磁致伸缩换能器在工作中表现出很强的机电耦合特性，机械状态和电磁状态互相影响，阻抗特性随频率变化。同时直流线圈电路增加了阻抗网络的复杂性。
为了更全面地认识换能器特性，指导换能器和阻抗匹配网络的设计，需要准确地建立电声纵振换能器等效电路模型。
发明内容
本发明提供一种适用于电声纵振换能器等效电路的建模方法，以实现获取磁致伸缩换能器等效电路模型，方便确定超磁致伸缩换能器的机电耦合特性，以进一步根据该机电耦合特性对超磁致伸缩换能器进行设计。
发明实施例提供了一种适用于电声纵振换能器等效电路的建模方法，电声纵振换能器的整体等效电路，包括：交流线圈的第一等效电路、直流偏置线圈和线性直流电源的串联电路的第二等效电路、机械等效阻抗网络、三绕组等效变压器；
所述方法，包括：
构建所述第一等效电路，包括：测量交流线圈的第一电路参数，其中，所述第一电路参数包括绕组阻抗的第一相角θ1和第一幅值Z1；对测量得到的第一幅值Z1进行曲线拟合，得到第一传递函数Z1(s)或者所述第一传递函数的倒数Y1(s)；根据所述第一传递函数Z1(s)或者所述第一传递函数的倒数Y1(s)建立交流线圈的RL等效电路；
构建所述第二等效电路，包括：测量直流偏置线圈和线性直流电源的串联电路的第二电路参数，其中，所述第二电路参数包括绕组阻抗的第二相角θ2和第二幅值Z2；对测量得到的第二幅值Z2进行曲线拟合，得到第二传递函数Z2(s)或者所述第二传递函数的倒数Y2(s)；根据所述第二传递函数Z2(s)或者所述第二传递函数的倒数Y2(s)建立的直流偏置线圈和线性直流电源的串联电路的RLC等效电路；
确定所述第二等效电路与第一等效电路之间绕组的第一变比η，包括：测量含有直流偏置线圈和线性直流电源串联电路、以及交流线圈的第三电路参数，其中，所述第三电路参数包括绕组阻抗的第三相角θ3和第三幅值Z3；对测量得到的第三幅值Z3进行曲线拟合，得到第三传递函数Z3(s)或者所述第三传递函数的倒数Y3(s)；根据所述第一传递函数Z1(s)、所述第二传递函数Z2(s)以及所述第三传递函数Z3(s)，求得第一变比η；
构建机械等效阻抗网络，包括：测量所述电声纵振换能器的机械部分的物理参数；根据所述物理参数，将机械系统类比为电路系统，得到电声纵振换能器的机械等效阻抗网络；
确定所述机械等效阻抗网络与第一等效电路之间绕组的第二变比
根据所述第一等效电路、第二等效电路、机械等效阻抗网络，建立所述电声纵振换能器的整体等效电路。
进一步的，所述曲线拟合，包括：利用实测的、包括待测电路的阻抗的相角θ和幅值Z的电路参数，绘制所述待测电路的阻抗的幅频曲线；确定所述幅频曲线的渐近线；确定各所述渐近线的斜率和各所述渐近线的交点；根据所述斜率和交点，判定传递函数Z(s)各个最小相位环节以及频率转折点；根据所述最小相位环节以及频率转折点，确定所述待测电路对应的传递函数Z(s)；其中，所述待测电路为第一等效电路时，所述传递函数Z(s)为第一传递函数Z1(s)；所述待测电路为第二等效电路时，所述传递函数Z(s)为第二传递函数Z2(s)。
进一步的，包括：所述第一传递函数Z1(s)和第二传递函数Z2(s)均由最小相位环节组成；且所述第一传递函数Z1(s)和第二传递函数Z2(s)均符合一端口网络性质。
进一步的，所述交流线圈的RL等效电路的一端口网络性质，包括：
所述第一传递函数Z1(s)的零极点均是一阶，且交替出现在负实轴上；
所述第一传递函数的倒数Y1(s)的极点的留数为正；除了当s＝∞，所述第一传递函数Z1(s)极点的留数为负；而Z1(s)/s极点的留数为正；
最靠近原点的是所述第一传递函数的倒数Y1(s)的极点、或着所述第一传递函数Z1(s)的零点；距离原点最远的是所述第一传递函数的倒数Y1(s)的零点、或者所述第一传递函数Z1(s)的极点。
进一步的，所述直流偏置线圈和线性直流电源串联的RLC等效电路的一端口网络性质，包括：
在根据所述第二传递函数Z2(s)、或者所述第二传递函数的倒数Y2(s)实现RLC等效电路时，所述第二传递函数Z2(s)、或者所述第二传递函数的倒数Y2(s)未被实现的部分为正实函数；
当所述第二传递函数Z2(s)在虚轴上无零极点时，所述第二传递函数Z2(s)为极小电抗函数Zm(s)，其中，极小电抗函数Zm(s)的分子N(s)和分母D(s)的最高次幂相同，且分子N(s)和分母D(s)都含常数项；
在某个频率下，所述极小电抗函数Zm(s)的实部取极小值，则在去掉所述实部取极小值后，所述极小电抗函数Zm(s)为极小实部函数。
进一步的，根据所述第一传递函数Z1(s)、所述第二传递函数Z2(s)以及所述第三传递函数Z3(s)，求得第一变比η，包括：
将第二传递函数Z2(s)所表示的第二等效阻抗等效到三绕组等效变压器原边，得到第四等效阻抗Z4(s)，其计算公式为：
将第一变比η表示为
进一步的，所述电声纵振换能器的机械部分包括磁致伸缩棒、磁轭、上盖板、下压板；所述电声纵振换能器的机械部分的物理参数，包括：材料密度、材料中的等效声速、材料的横截面积、材料中机械波波数以及材料的长度。
进一步的，所述将机械系统类比为电路系统，包括：力类比成电压，振速类比成电流，质量类比成电感，应力类比成电场，位移类比成电荷，动量类比成磁通。
进一步的，在测量电声纵振换能器的第一电路参数、第二电路参数或第三电路参数时，包括：
在测量任意等效电路的阻抗的电路参数时，屏蔽其他电路的干扰，同时屏蔽机械振动引入的阻抗干扰。
进一步的，使用测量仪器，测量电声纵振换能器的第一电路参数、第二电路参数或第三电路参数，其中，所述测量仪器包括阻抗分析仪、单相电能质量分析仪和示波器中的至少一种。
本发明通过设置电声纵振换能器的整体等效电路，包括：交流线圈的第一等效电路、直流偏置线圈和线性直流电源的串联电路的第二等效电路、机械等效阻抗网络、三绕组等效变压器；并通过1)构建所述第一等效电路，包括：测量交流线圈的第一电路参数，其中，所述第一电路参数包括绕组阻抗的第一相角θ1和第一幅值Z1；对测量得到的第一幅值Z1进行曲线拟合，得到第一传递函数Z1(s)或者所述第一传递函数的倒数Y1(s)；根据所述第一传递函数Z1(s)或者所述第一传递函数的倒数Y1(s)建立交流线圈的RL等效电路；2)构建所述第二等效电路，包括：测量直流偏置线圈和线性直流电源的串联电路的第二电路参数，其中，所述第二电路参数包括绕组阻抗的第二相角θ2和第二幅值Z2；对测量得到的第二幅值Z2进行曲线拟合，得到第二传递函数Z2(s)或者所述第二传递函数的倒数Y2(s)；根据所述第二传递函数Z2(s)或者所述第二传递函数的倒数Y2(s)建立的直流偏置线圈和线性直流电源的串联电路的RLC等效电路；3)确定所述第二等效电路与第一等效电路之间绕组的第一变比η，包括：测量含有直流偏置线圈和线性直流电源串联电路、以及交流线圈的第三电路参数，其中，所述第三电路参数包括绕组阻抗的第三相角θ3和第三幅值Z3；对测量得到的第三幅值Z3进行曲线拟合，得到第三传递函数Z3(s)或者所述第三传递函数的倒数Y3(s)；根据所述第一传递函数Z1(s)、所述第二传递函数Z2(s)以及所述第三传递函数Z3(s)，求得第一变比η；4)构建机械等效阻抗网络，包括：测量所述电声纵振换能器的机械部分的物理参数；根据所述物理参数，将机械系统类比为电路系统，得到电声纵振换能器的机械等效阻抗网络；5)确定所述机械等效阻抗网络与第一等效电路之间绕组的第二变比
6)根据所述第一等效电路、第二等效电路、机械等效阻抗网络，建立所述电声纵振换能器的整体等效电路，解决使用电声纵振换能器的整体等效电路对偏置磁场的调整进行研究的需求，实现无需考虑三绕组等效变压器的实际绕法，同时考虑到第二等效电路对该电声纵振换能器阻抗的影响，对电声纵振换能器具有一定的通用性，且能较好的反映电声纵振换能器的阻抗特性，使得整体等效电路的响应比较精确，进一步的，为功率放大器以及电声纵振换能器之间的阻抗匹配提供指导。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种适用于电声纵振换能器等效电路的建模方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的一种电声纵振换能器的整体等效电路的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种交流线圈的RL等效电路的结构示意图；
图4为本发明实施例提供的一种直流偏置线圈和线性直流电源的串联电路的RLC等效电路的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的一种机械等效阻抗网络的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
本实施例中，电声纵振换能器的整体等效电路，包括：交流线圈的第一等效电路、直流偏置线圈和线性直流电源的串联电路的第二等效电路、机械等效阻抗网络、三绕组等效变压器。参照图2，第一等效电路为图2中的交流等效阻抗Z1，第二等效电路为图2中的直流偏置线圈和线性直流电流源的串联电路的等效阻抗Z2，机械等效阻抗网络为图2中的机械等效阻抗Z3。电声纵振换能器的整体等效电路中各部件的连接方式如图2所示，具体的确定了第一等效电路、第二等效电路、机械等效阻抗网络和三绕组等效变压器的连接方式。本实施例中，将进一步确定第一等效电路、第二等效电路、机械等效阻抗网络的具体实现方式，确定三绕组等效变压器中的绕组变比，最终整合得到电声纵振换能器的整体等效电路。
参照图1，本实施例中提供的一种适用于电声纵振换能器等效电路的建模方法，具体包括如下步骤：
S110、构建所述第一等效电路。
本实施例中，通过测量交流线圈的第一电路参数，此时不引入直流偏置线圈和线性直流电流源的串联电路的影响，其中，所述第一电路参数包括绕组阻抗的第一相角θ1和第一幅值Z1；对测量得到的第一幅值Z1进行曲线拟合，得到第一传递函数Z1(s)或者所述第一传递函数的倒数Y1(s)；根据所述第一传递函数Z1(s)或者所述第一传递函数的倒数Y1(s)建立交流线圈的RL等效电路。
进一步的，第一传递函数Z1(s)可以用于计算图2中的交流等效阻抗Z1。具体的，可以对第一传递函数Z1(s)进行多项式分离，进而可以通过该多项式确定该交流等效阻抗Z1的具体电路实现方式。需要注意的是，第一传递函数的倒数Y1(s)可用于计算交流等效导纳。
进一步的，本实施例中，所述第一传递函数Z1(s)由最小相位环节组成；且所述第一传递函数Z1(s)符合一端口网络性质。一端口网络性质指的是网络只具有一个输入端口和一个输出端口。对应于交流线圈的RL等效电路的一端口网络性质，可以对第一传递函数Z1(s)进行多项式分离，得到第一传递函数Z1(s)对应的最小相位环节，进而确定最小相位环节对应的具体电路实现方式，从而求出交流线圈的交流等效阻抗Z1，其表达式如下：
其中，第一传递函数Z1(s)可以用于表示交流等效阻抗Z1；t1、t2、t3分别为各转折频率的倒数；K1、K2为比例系数；如图3中RL等效电路是一种交流等效阻抗Z1的实现方式。其中，RL等效电路为使用电阻和电感实现的电路。
进一步的，本实施例中，交流线圈的RL等效电路的一端口网络性质，包括：
1)所述第一传递函数Z1(s)的零极点均是一阶，且交替出现在负实轴上；
2)所述第一传递函数的倒数Y1(s)的极点的留数为正；除了当s＝∞，所述第一传递函数Z1(s)极点的留数为负；而Z1(s)/s极点的留数为正；
3)最靠近原点的是所述第一传递函数的倒数Y1(s)的极点、或着所述第一传递函数Z1(s)的零点(最靠近原点的极点或零点可以是位于原点处)；距离原点最远的是所述第一传递函数的倒数Y1(s)的零点、或者所述第一传递函数Z1(s)的极点(距离原点最远的零点或极点可以位于s＝∞处)。
S120、构建所述第二等效电路。
本实施例中，通过测量直流偏置线圈和线性直流电源的串联电路的第二电路参数，不引入交流线圈的影响，其中，所述第二电路参数包括绕组阻抗的第二相角θ2和第二幅值Z2；对测量得到的第二幅值Z2进行曲线拟合，得到第二传递函数Z2(s)或者所述第二传递函数的倒数Y2(s)；根据所述第二传递函数Z2(s)或者所述第二传递函数的倒数Y2(s)建立的直流偏置线圈和线性直流电源的串联电路的RLC等效电路。
进一步的，第二传递函数Z2(s)可以用于计算图2中的直流偏置线圈和线性直流电流源的串联电路的等效阻抗Z2。具体的，可以对第二传递函数Z2(s)进行多项式分离，进而可以通过该多项式确定直流偏置线圈和线性直流电流源的串联电路的等效阻抗Z2的具体电路实现方式。需要注意的是，第二传递函数的倒数Y2(s)可用于计算直流偏置线圈和线性直流电流源的串联电路的等效导纳。
进一步的，本实施例中，所述第二传递函数Z2(s)由最小相位环节组成；且所述第二传递函数Z2(s)符合一端口网络性质。对应于直流偏置线圈和线性直流电源串联的RLC等效电路的一端口网络性质，可以对第二传递函数Z2(s)进行多项式分离，得到第二传递函数Z2(s)对应的最小相位环节，进而确定最小相位环节对应的具体电路实现方式，从而求出直流偏置线圈和线性直流电流源的串联电路的等效阻抗Z2，其表达式如下：
其中，第二传递函数Z2(s)可以用于表示直流偏置线圈和线性直流电流源的串联电路的等效阻抗Z2；t3、t4分别为各转折频率的倒数；K0为比例系数；如图4中的RLC等效电路是一种直流偏置线圈和线性直流电流源的串联电路的等效阻抗Z2的实现方式。其中，RLC等效电路为使用电阻、电感和电容实现的电路。
进一步的，本实施例中，所述直流偏置线圈和线性直流电源串联的RLC等效电路的一端口网络性质，包括：
1)在根据所述第二传递函数Z2(s)、或者所述第二传递函数的倒数Y2(s)实现RLC等效电路时，所述第二传递函数Z2(s)、或者所述第二传递函数的倒数Y2(s)未被实现的部分为正实函数；
2)当所述第二传递函数Z2(s)在虚轴上无零极点时(含含s＝0和s＝∞的情况)，所述第二传递函数Z2(s)为极小电抗函数Zm(s)，其中，极小电抗函数Zm(s)的分子N(s)和分母D(s)的最高次幂相同，且分子N(s)和分母D(s)都含常数项；
3)在某个频率下，所述极小电抗函数Zm(s)的实部取极小值，则在去掉所述实部取极小值后，所述极小电抗函数Zm(s)为极小实部函数。
进一步的，在一实施例中，所述曲线拟合，包括：利用实测的、包括待测电路的阻抗的相角θ和幅值Z的电路参数，绘制对应波特图中所述待测电路的阻抗的幅频曲线；确定所述幅频曲线的渐近线；确定各所述渐近线的斜率和各所述渐近线的交点；根据所述斜率和交点，判定传递函数Z(s)各个最小相位环节以及频率转折点；根据所述最小相位环节以及频率转折点，确定所述待测电路对应的传递函数Z(s)；其中，所述待测电路为第一等效电路时，所述传递函数Z(s)为第一传递函数Z1(s)；所述待测电路为第二等效电路时，所述传递函数Z(s)为第二传递函数Z2(s)。
S130、确定所述第二等效电路与第一等效电路之间绕组的第一变比η。
本实施例中，通过测量含有直流偏置线圈和线性直流电源串联电路、以及交流线圈的第三电路参数，其中，所述第三电路参数包括绕组阻抗的第三相角θ3和第三幅值Z3；对测量得到的第三幅值Z3进行曲线拟合，得到第三传递函数Z3(s)或者所述第三传递函数的倒数Y3(s)；根据所述第一传递函数Z1(s)、所述第二传递函数Z2(s)以及所述第三传递函数Z3(s)，求得第一变比η。
进一步的，在一实施例中，将第二传递函数Z2(s)所表示的第二等效阻抗等效到三绕组等效变压器原边，得到第四等效阻抗Z4(s)，其计算公式为：
S140、构建机械等效阻抗网络。
本实施例中，通过测量所述电声纵振换能器的机械部分的物理参数；根据所述物理参数，将机械系统类比为电路系统，得到电声纵振换能器的机械等效阻抗网络。
进一步的，在一实施例中，所述电声纵振换能器的机械部分包括磁致伸缩棒、磁轭、上盖板、下压板；所述电声纵振换能器的机械部分的物理参数，包括：材料密度、材料中的等效声速、材料的横截面积、材料中机械波波数以及材料的长度。
再进一步的，所述将机械系统类比为电路系统，包括：力类比成电压，振速类比成电流，质量类比成电感，应力类比成电场，位移类比成电荷，动量类比成磁通。参照图5，电声纵振换能器的机械部分可以类比为图示的机械等效阻抗网络，其中，图5中的点a和点b与图2中三绕组等效变压器的输出端口a和输出端口b对应连接。
更进一步的，在一实施例中，首先通过压磁方程、弹性力学方程以及力学边界条件等推到得到各个机械部分边界力与边界振速之间的关系，然后再从关系表达式中得到各个部分的机械等效阻抗，该电声纵振换能器的机械等效阻抗网络如图5所示。具体的，图5中的各个部分阻抗表达式如下式所示：
其中，Z1T、Z2T为磁致伸缩棒的等效阻抗；ρT为稀土棒密度；cT为在棒材中等效声速；ST为棒材的横截面积；kT为机械波波数；lT为棒的长度。
其中，Z1F、Z2F为磁轭的等效阻抗；ρF为磁轭的密度；cF为在磁轭中等效声速；SF为磁轭的横截面积；kF为机械波波数；lF为磁轭的长度。
其中，Z1s、Z2s为后压板的等效阻抗；ρs为后压板的密度；cs为在后压板中等效声速；S1为后压板的横截面积；ks为机械波波数；ls为后压板的长度。
其中，Z1A、Z2A为前盖板的等效阻抗；ρA为前盖板的密度；cA为在前盖板中等效声速；SA为前盖板的横截面积；kA为机械波波数；lA为前盖板的长度。S150、确定所述机械等效阻抗网络与第一等效电路之间绕组的第二变比
本实施例中，第二变比
可以通过如下公式表示：
其中，
为机械等效阻抗网络与第一等效电路之间绕组的变比，ω为系统的角速度，S33为恒磁场下的弹性柔顺系数；μs 33为恒应变下的磁导率；N为线圈匝数。
S160、根据所述第一等效电路、第二等效电路、机械等效阻抗网络，建立所述电声纵振换能器的整体等效电路。
本实施例的技术方案，通过设置电声纵振换能器的整体等效电路，包括：交流线圈的第一等效电路、直流偏置线圈和线性直流电源的串联电路的第二等效电路、机械等效阻抗网络、三绕组等效变压器；并通过1)构建所述第一等效电路，包括：测量交流线圈的第一电路参数，其中，所述第一电路参数包括绕组阻抗的第一相角θ1和第一幅值Z1；对测量得到的第一幅值Z1进行曲线拟合，得到第一传递函数Z1(s)或者所述第一传递函数的倒数Y1(s)；根据所述第一传递函数Z1(s)或者所述第一传递函数的倒数Y1(s)建立交流线圈的RL等效电路；2)构建所述第二等效电路，包括：测量直流偏置线圈和线性直流电源的串联电路的第二电路参数，其中，所述第二电路参数包括绕组阻抗的第二相角θ2和第二幅值Z2；对测量得到的第二幅值Z2进行曲线拟合，得到第二传递函数Z2(s)或者所述第二传递函数的倒数Y2(s)；根据所述第二传递函数Z2(s)或者所述第二传递函数的倒数Y2(s)建立的直流偏置线圈和线性直流电源的串联电路的RLC等效电路；3)确定所述第二等效电路与第一等效电路之间绕组的第一变比η，包括：测量含有直流偏置线圈和线性直流电源串联电路、以及交流线圈的第三电路参数，其中，所述第三电路参数包括绕组阻抗的第三相角θ3和第三幅值Z3；对测量得到的第三幅值Z3进行曲线拟合，得到第三传递函数Z3(s)或者所述第三传递函数的倒数Y3(s)；根据所述第一传递函数Z1(s)、所述第二传递函数Z2(s)以及所述第三传递函数Z3(s)，求得第一变比η；4)构建机械等效阻抗网络，包括：测量所述电声纵振换能器的机械部分的物理参数；根据所述物理参数，将机械系统类比为电路系统，得到电声纵振换能器的机械等效阻抗网络；5)确定所述机械等效阻抗网络与第一等效电路之间绕组的第二变比
6)根据所述第一等效电路、第二等效电路、机械等效阻抗网络，建立所述电声纵振换能器的整体等效电路，解决使用电声纵振换能器的整体等效电路对偏置磁场的调整进行研究的需求，实现无需考虑三绕组等效变压器的实际绕法，同时考虑到第二等效电路对该电声纵振换能器阻抗的影响，对电声纵振换能器具有一定的通用性，且能较好的反映电声纵振换能器的阻抗特性，使得整体等效电路的响应比较精确，进一步的，为功率放大器以及电声纵振换能器之间的阻抗匹配提供指导。
在上述实施例的基础上，在测量电声纵振换能器的第一电路参数、第二电路参数或第三电路参数时，包括：在测量任意等效电路的阻抗的电路参数时，屏蔽其他电路的干扰，同时屏蔽机械振动引入的阻抗干扰。
在上述实施例的基础上，使用测量仪器，测量电声纵振换能器的第一电路参数、第二电路参数或第三电路参数，其中，所述测量仪器包括阻抗分析仪、单相电能质量分析仪和示波器中的至少一种。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种适用于电声纵振换能器等效电路的建模方法，其特征在于，电声纵振换能器的整体等效电路，包括：交流线圈的第一等效电路、直流偏置线圈和线性直流电源的串联电路的第二等效电路、机械等效阻抗网络、三绕组等效变压器；
所述方法，包括：
构建所述第一等效电路，包括：测量交流线圈的第一电路参数，其中，所述第一电路参数包括绕组阻抗的第一相角θ1和第一幅值Z1；对测量得到的第一幅值Z1进行曲线拟合，得到第一传递函数Z1(s)或者所述第一传递函数的倒数Y1(s)；根据所述第一传递函数Z1(s)或者所述第一传递函数的倒数Y1(s)建立交流线圈的RL等效电路；
构建所述第二等效电路，包括：测量直流偏置线圈和线性直流电源的串联电路的第二电路参数，其中，所述第二电路参数包括绕组阻抗的第二相角θ2和第二幅值Z2；对测量得到的第二幅值Z2进行曲线拟合，得到第二传递函数Z2(s)或者所述第二传递函数的倒数Y2(s)；根据所述第二传递函数Z2(s)或者所述第二传递函数的倒数Y2(s)建立的直流偏置线圈和线性直流电源的串联电路的RLC等效电路；
确定所述第二等效电路与第一等效电路之间绕组的第一变比η，包括：测量含有直流偏置线圈和线性直流电源串联电路、以及交流线圈的第三电路参数，其中，所述第三电路参数包括绕组阻抗的第三相角θ3和第三幅值Z3；对测量得到的第三幅值Z3进行曲线拟合，得到第三传递函数Z3(s)或者所述第三传递函数的倒数Y3(s)；根据所述第一传递函数Z1(s)、所述第二传递函数Z2(s)以及所述第三传递函数Z3(s)，求得第一变比η；
构建机械等效阻抗网络，包括：测量所述电声纵振换能器的机械部分的物理参数；根据所述物理参数，将机械系统类比为电路系统，得到电声纵振换能器的机械等效阻抗网络；所述电声纵振换能器的机械部分的物理参数，包括：材料密度、材料中的等效声速、材料的横截面积、材料中机械波波数以及材料的长度；
确定所述机械等效阻抗网络与第一等效电路之间绕组的第二变比
根据所述第一等效电路、第二等效电路、机械等效阻抗网络，建立所述电声纵振换能器的整体等效电路。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述曲线拟合，包括：利用实测的、包括待测电路的阻抗的相角θ和幅值Z的电路参数，绘制所述待测电路的阻抗的幅频曲线；确定所述幅频曲线的渐近线；确定各所述渐近线的斜率和各所述渐近线的交点；根据所述斜率和交点，判定传递函数Z(s)各个最小相位环节以及频率转折点；根据所述最小相位环节以及频率转折点，确定所述待测电路对应的传递函数Z(s)；其中，所述待测电路为第一等效电路时，所述传递函数Z(s)为第一传递函数Z1(s)；所述待测电路为第二等效电路时，所述传递函数Z(s)为第二传递函数Z2(s)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，包括：所述第一传递函数Z1(s)和第二传递函数Z2(s)均由最小相位环节组成；且所述第一传递函数Z1(s)和第二传递函数Z2(s)均符合一端口网络性质。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述交流线圈的RL等效电路的一端口网络性质，包括：
所述第一传递函数Z1(s)的零极点均是一阶，且交替出现在负实轴上；
所述第一传递函数的倒数Y1(s)的极点的留数为正；除了当s＝∞，所述第一传递函数Z1(s)极点的留数为负；而Z1(s)/s极点的留数为正；
最靠近原点的是所述第一传递函数的倒数Y1(s)的极点、或着所述第一传递函数Z1(s)的零点；距离原点最远的是所述第一传递函数的倒数Y1(s)的零点、或者所述第一传递函数Z1(s)的极点。
5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述直流偏置线圈和线性直流电源串联的RLC等效电路的一端口网络性质，包括：
在根据所述第二传递函数Z2(s)、或者所述第二传递函数的倒数Y2(s)实现RLC等效电路时，所述第二传递函数Z2(s)、或者所述第二传递函数的倒数Y2(s)未被实现的部分为正实函数；
当所述第二传递函数Z2(s)在虚轴上无零极点时，所述第二传递函数Z2(s)为极小电抗函数Zm(s)，其中，极小电抗函数Zm(s)的分子N(s)和分母D(s)的最高次幂相同，且分子N(s)和分母D(s)都含常数项；
在某个频率下，所述极小电抗函数Zm(s)的实部取极小值，则在去掉所述实部取极小值后，所述极小电抗函数Zm(s)为极小实部函数。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据所述第一传递函数Z1(s)、所述第二传递函数Z2(s)以及所述第三传递函数Z3(s)，求得第一变比η，包括：
将第二传递函数Z2(s)所表示的第二等效阻抗等效到三绕组等效变压器原边，得到第四等效阻抗Z4(s)，其计算公式为：
将第一变比η表示为
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电声纵振换能器的机械部分包括磁致伸缩棒、磁轭、上盖板、下压板。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将机械系统类比为电路系统，包括：力类比成电压，振速类比成电流，质量类比成电感，应力类比成电场，位移类比成电荷，动量类比成磁通。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在测量电声纵振换能器的第一电路参数、第二电路参数或第三电路参数时，包括：
在测量任意等效电路的阻抗的电路参数时，屏蔽其他电路的干扰，同时屏蔽机械振动引入的阻抗干扰。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使用测量仪器，测量电声纵振换能器的第一电路参数、第二电路参数或第三电路参数，其中，所述测量仪器包括阻抗分析仪、单相电能质量分析仪和示波器中的至少一种。
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