超声原理广泛应用于现代工业生产和科研领域，从精密零件清洗到材料焊接，从医疗诊断到无损检测。作为整个超声系统的“心脏”，超声波发生器承担着关键的电能转换任务。它将普通市政电力转化为高频电信号，驱动传感器产生超声波，为各种应用提供能源。接下来，我们将深入分析超声波发生器的工作原理、核心组成和关键功能。

一、超声发生器的基本认知

超声波发生器，又称超声波驱动电源、电子箱或超声波控制器，是大功率超声系统的重要组成部分。它的主要功能是使用市政电力（通常是） 50/60Hz 将交流电转换为与超声波传感器匹配的高频交流电信号，从而驱动超声波传感器工作。从外观上看，它通常是一种集成各种电路模块的金属外壳装置，以实现复杂的电能转换和控制功能。

二、深入分析工作原理

(1)电能转换的关键过程

整流滤波器：首先，输入 50/60Hz 一般情况下，交流电通过整流滤波电路进入超声波发生器，将交流电转化为高压直流电，如普通交流电 300V DC母线电压。这一步是为后续高频逆变器做准备，将不稳定的交流电压转换为相对稳定的DC电压，为后续电路提供稳定的电源基础。

高频逆变器：高频逆变器电路是超声波发生器的核心环节，一般采用 IGBT(双极晶体管绝缘栅)或 MOSFET（金属 - 氧化物 - 半导体场效应晶体管）用作电子开关。这些电子开关在特定的控制指令下高速开启和关闭，并将DC母线电压转换为高频交流电。工作频段一般为20kHz - 40kHz，这个频段正是超声波换能器工作的常用频段。为了生产 20kHz 以高频交流为例，通过脉冲宽度调制（PWM）技术，精确控制 IGBT开关时间，方波交流电信号输出频率稳定。

匹配电阻：高频交流电产生后，需要通过匹配电阻网络。这个网络通常由电感器、电容器组成 LC 调谐电路，或使用变压器和其他部件，旨在使发生器输出高频电能，并有效地将其传输到超声波传感器。由于传感器具有特定的阻抗特性，通过匹配电阻，可以最大限度地减少能量传输过程中的消耗，提高整个系统的工作效率。

电 - 机器转换：当匹配的高频交流信号输入到超声波传感器中时，传感器根据压电效应（压电陶瓷、钛酸钡等常用压电材料）将电能转换为机械振动。例如，在高频电场的影响下，压电陶瓷会有周期性伸缩变形。当这种微观变形累积时，会形成宏观机械振动，从而向外辐射超声波。

(2)智能反馈调整机制

频率跟踪：传感器的谐振频率点不是一成不变的，而是由于装配误差、长期工作老化等因素而漂移。超声波发生器配备了频率跟踪反馈回路，以确保传感器始终在谐振频率点工作，以达到最高效、最稳定的状态。传感器实时监控传感器的工作频率。一旦发现频率偏移到预设的谐振频率，控制电路将自动微调信号发生器的输出频率，使系统始终处于最佳运行状态。

振幅稳定：在日常工作中，负载状态的变化（如清洗液浓度、清洗工件材料的差异等）会影响传感器的输出振幅。振幅不稳定会导致工作效果波动。例如，在超声波清洗中，振幅不足不能有效去除污渍，振幅过大可能会损坏工件。因此，发生器通过检测输出功率或直接测量传感器的振幅，将其反馈给功率放大器，并自动调整输出功率，以保持传感器振幅稳定。

系统保护：它还具有多种保护机制，以确保超声波发生器和整个系统的安全运行。例如，在过压保护中，当输入电压过高超过正常运行范围时，电源会自动关闭，以防止电路元件因过压而燃烧；过流保护在电流过大（如短路故障）时起作用；过热保护监测关键设备的温度。当温度过高可能影响设备性能或损坏时，减少功率或停止工作，然后在温度恢复正常后重新启动。

超声波发生器的核心作用

(1)工业清洁领域

在电子元件、光学透镜、精密机械元件等生产过程中，表面会残留油渍、灰尘、杂质等污染物。超声波发生器驱动传感器产生超声波，在清洗液中产生无数小气泡。这些气泡在超声波的负压阶段迅速膨胀，在正压阶段瞬间关闭，产生强烈的冲击力，即“空化效应”。这种空化效应可以深入工件的微小间隙和埋孔，在不损坏材料表面的情况下，剥离污渍，实现快速、完整的清洁。

(2)超声波焊接

制造汽车零部件(如焊接塑料内饰)、生产医疗器械(如一次性注射器焊接)、超声波焊接广泛应用于电子设备组装领域（如手机电池与主板连接）。超声波发生器输出高频电信号，使焊接头在待焊塑料或金属材料表面产生高频机械振动。在振动摩擦产生的热量和一定压力下，工件接触面的分子相互扩散和结合，实现牢固焊接。该工艺焊接速度快，强度高，无需添加额外焊料，可显著提高生产效率，降低成本。

(3)无损检测

在航天工程、压力容器、管道工程等安全要求较高的领域，为了发现裂缝、气孔、松动等内部缺陷，有必要对材料和结构进行无损检测。超声波发生器产生的超声波传输到被检测对象，在遇到缺陷时会发生反射、映射和透射。通过接收和分析反射的超声波信号，可以通过专业的检测仪器和算法来判断缺陷的位置、大小和形状，为设备的安全运行提供重要保障。

(四)生物医学的应用

在超声诊断中，如 B 超声波检查，超声波发生器控制传感器发射超声波，超声波在人体细胞中传播并产生回波。通过分析回波信号，医生可以了解人体内部器官的结构和病变，并帮助诊断疾病。在超声波治疗方面，如超声波碎石，使用高强度聚焦超声波，在体内结石处产生高温和高压，粉碎结石，实现微创治疗，减轻患者疼痛。