(19)中华 人民共和国 国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202111120544.8 (22)申请日 2021.09.24 (71)申请人 杭州电子科技大 学 地址 310018 浙江省杭州市钱塘区白杨街 道2号大街 申请人 杭电 （海宁） 信息科技研究院有限公 司 (72)发明人 陈张平　陈云　孔亚广　陈晓祥　 赵晓东　邹洪波　张帆　黄娜　 (74)专利代理 机构 浙江千克知识产权代理有限 公司 33246 代理人 周雷雷 (51)Int.Cl. G06F 30/27(2020.01) G06F 30/367(2020.01)G06N 3/08(2006.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 一种超声波换能器带载建模方法 (57)摘要 本发明涉及一种超声波换能器带载建模方 法。 本发明首先， 基于动力学仿真和梅森电路建 立的MSD等效模型， 在给定的换能器参数的情况 下， 通过Matlab仿真和负载实验， 得到了关于阻 抗变化的仿真数据和负载力变化的实验数据。 然 后改变换能器中的一个参数， 得到下一组数据， 用最小二乘法进行数据的匹配得到关系矩阵。 最 后， 通过自适应属性权重神经网络模 型对数据进 行训练。 输入一组材料参数和负载力， 便可得到 相对应的阻抗。 本发明能够很好地体 现负载力与 阻抗的对应关系， 且即使是动态负载的情况下， 其阻抗也能准确快速地对应出来。 权利要求书1页 说明书6页 附图3页 CN 114004140 A 2022.02.01 CN 114004140 A 1.一种超声 波换能器带 载建模方法， 其特 征在于该 方法包括以下步骤： 第一步， 以动力学仿真和梅森电路为基础建立 等效模型： 其中， Lp为压电陶瓷晶堆厚度， Z0s＝ρ gS为压电陶瓷晶体堆的密度、 声速和横截面积的 乘积， τs为压电陶瓷 晶堆材料的声传播常数， ZRs、 ZLs分别为T型等效电路的右等效阻抗和左 等效阻抗， ZMs为T型等效电路中间的等效阻抗； 第二步， 改变压电换能器 中材料的某一项参数， 所述的材料包括压电换能器前盖板、 后 盖板以及压电陶瓷晶堆； 所述的参数包括压电陶瓷晶堆的横截面积S、 压电陶瓷晶堆的密度 ρ 、 前后盖 板材料的杨氏模量E、 前后盖 板的长度l； 第三步， 基于所建模型对阻抗进行仿真， 记录下m组阻抗与电学参数对应的矩阵 [EZi]m1； 第四步， 基于所建模型进行负载实验， 记录下n组负载力变化与电学参数对应的矩阵 [EFk]n1； 第五步， 改变压电换能器 中材料的另一项参数， 保持其他参数不变， 重复进行阻抗仿真 和负载实验， 得到[EZi]m2和[EFk]n2； 重复本步骤多次， 得到共R组仿真与负载力实验的矩阵关系， 即[EZi]mt与[EFk]nt； 第六步， 将这R组[EZi]mt与[EFk]nt矩阵相配对， 通过最小二乘法对数据进行匹配， 找出 最接近的一组数据， 得到 的关系式， 其中Fky， t为[EFk]nt中第y行的负载 力， Zix(y， t)为[EFk]nt中第y行负载力最匹配的一个阻抗， Tt为这一组矩阵下对应的材料， x (y， t)为在固定材 料种类Tt时， 与负载力Fky， t最匹配的阻抗在[EZi]mt下的行号； 第七步， 将 作为一组训练数据输入自适应属性权重神经网络， 其中 Fky， t和Tt为神经网络输入， 神经网络输出为Zix(y， t)对应真实值θ0； 然后将 θ0与通过神经网络 预测得到的θ0’进行优化， 便得到相应的网络参数， 由此便可得一组负载力、 材料与阻抗的 关系； 将第六步中的R组配对关系矩阵全部输入神经网络进行训练， 得到训练完成后的神经 网络； 当后续输入 任意一组材料参数与负载力， 便可 得到阻抗。 2.根据权利要求1所述的一种 超声波换能器带载建模方法， 其特征在于： 第 三步中的仿 真采用Matlab软件进行仿真。 3.根据权利要求1所述的一种 超声波换能器带载建模方法， 其特征在于： 第 三步和步骤 四中的电学参数包括正向谐振频率、 反向谐振频率、 半功 率点、 动态电容、 动态电阻、 动态电 感和机械品质因素。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 114004140 A 2一种超声波 换能器带载建模方法 技术领域 [0001]本发明涉及一种建模方法， 具体是一种超声 波换能器带 载建模方法。 背景技术 [0002]超声波以其成本低、 安全性高且精确性高的特点， 广泛应用在医学、 军用以及加工 制造业等方面。 研究改变超声振动系统内部声波传输规律的原因， 掌握动态负载和热效应 对超声振动系统性能变化的影响规律， 改善系统工作稳定性， 提高能量传输效率， 一直是超 声领域的研究者们追逐的目标。 [0003]目前， 对于此方面的研究大多处于初步阶段， 尚未取得突破性发展。 因此， 换能器 带负载模型的建立具有十分重要的意义。 目前， 相 似的实现方案是根据Thevenin定理而建 立Theven in等效电路， 从而 进一步完成模型的建立。 [0004]现有技术还涉及一个数学等效换能器M ‑C‑K模型， 见图1， 然后通过matlab仿真来 对其阻抗进行分析， 根据超声换能器结构建立M ‑C‑K模型， 其公式可表达为如下： [0005] [0006]其中， m0为压电陶瓷质量， m1为预紧螺栓与前盖板质量， m2为喇叭杆与刀具质量， c1 为预紧螺栓与前盖板阻尼系数， c2为喇叭杆与刀具阻尼系数， k1为预紧螺栓与前盖板弹簧系 数， k2为喇叭杆与刀具弹簧系数， x0为压电陶瓷位移， x1为预紧螺栓与前盖板位移， x2为喇叭 杆与刀具位移， F0为压电陶瓷 处喇叭杆受力。 [0007]但是， 换能器阻抗受材料、 几何结构、 负载等因素的影响。 而现有技术方案是建立 在空载情况下的， 它无法满足不确定负载特性。 因为一旦加上负载， 换能器的共振频率会出 现变化， 相应的阻抗会变得极为复杂且不易确定， 寻常以空载为基础建立的模型都不能很 好地适用。 发明内容 [0008]针对换能器带负载情况下具有突变性、 随机性以及不确定性的问题， 本发明提出 了一种超声 波换能器带 载建模方法。 [0009]本发明方法包括以下步骤： [0010]第一步， 以动力学仿真和梅森电路为基础建立 等效模型： [0011] [0012]其中， Lp为压电陶瓷晶堆厚度， Z0s＝ρ gS为压电陶瓷晶体堆的密度、 声速和横截面说　明　书 1/6 页 3 CN 114004140 A 3