十一、导纳圆的原理
对于压电器件来说,如果在离某一谐振频率很远的频率上,没有其他谐振,则在这个谐振频率附近可把压电器件近似看成一个集总系统,其符号和等效电路如左下图所示:

上图左边为为压电器件的等效电路。其中C0是静态电容,R1、C1、L1分别为动态阻抗中的电阻、电容、电感。
在这个等效电路中,假定压电器件的总导纳为Y,并联支路和串联支路(或称之为静态导纳和动态导纳)分别为Y0和Y1,则Y=Y0+Y1。通过运算可以得出动态导纳Y1和总导纳Y随频率变化的情况。
取横坐标表示电导(导纳的实部),取纵坐标表示电纳(导纳的虚部)。当频率在谐振频率附近的范围内发生变化时,Y1的相矢终端轨迹为一圆,其圆心为(1/2R1,0),半径为1/2R1。
当Y1的相矢终端旋转一周时,Y0的相矢终端随频率变化一般较小,近似认为为一常数,于是,把Y1的轨迹圆在复平面上沿纵轴向上平移。即可得到总导纳的相矢终端随频率变化的轨迹圆,即所谓的导纳圆。
利用导纳圆图,可以求出压电器件的等效电路和其他一些重要的参数,从图中可以看到三对谐振频率:
1 |
Fs |
机械(串联)谐振频率 |
换能器的工作频率点 |
Fp |
并联谐振频率 |
|
2 |
Fm |
最大导纳频率 |
换能器阻抗最小 |
Fn |
最小导纳频率 |
换能器阻抗最大 |
3 |
Fr |
谐振频率(B=0) |
阻抗相位为零的较低的频率 |
Fa |
反谐振频率(B=0) |
阻抗相位为零的较高的频率 |
阻抗分析仪可以提供以上所有的频率,但是应用中只需要Fs和Fp。
Fm、Fn为传统的传输线法测到的频率,我们由此可以看到,传输线法测到的谐振频率Fm与换能器的工作频率Fs还有一些差别,如果导纳圆的圆心距离G轴距离较小,可以近似认为:Fs≈Fm≈Fr,Fp≈Fn≈Fa;但是,如果导纳圆的圆心距离纵坐标有一定的距离,则Fs与Fm有很大区别。显然,阻抗分析仪测量的更准确。
Fr和Fa一般的应用中不用。
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