射频功率放大器在亚波长波导管中超声波传播的实验研究

实验名称：超声波在亚波长波导管中传播的实验研究

实验原理：前期理论研究预测声波在亚波长波导管内以规则平面波进行传播，且传输损耗较小，针对波导管内声波的传播特性，本实验方法采用渡越时间(Time of fight)测量方法来展开实验，实验方案及测试原理如下图所示。

图a：测量亚波长波导管中声速的装置

亚波长波导管实验系统中1为信号发生器在通道1产生猝发音驱动信号，脉冲个数小于2个，控制较低的重频频率，以保证各脉冲之间不相互干扰。通道2设置相同的信号与2示波器相连，作为触发信号。3为射频功率放大器（ATA-8035），将驱动信号进行放大，并控制驱动幅值至设定值，4为阻抗匹配器将驱动信号有效施加于超声换能器，减小反向功率，降低系统功率损耗及反向功率造成的系统发热和损伤。超声换能器11将电信号转换为声信号，通过固液耦合器7将声波输送至波导管的输入端在邻近输入端有声波导管6的支管，8水听器在管口处2mm进行测量，同型号10水听器在另一个管口进行测量，声波信号在示波器中进行对比得到时间差t，其精度能达到微秒级，并测量两管口之间的距离L，即得到声速v=L/t。5为固定板用于固定整个测量声波产生、传输、接收部分。12、9、13为水箱用于储存管内介质，并把超声波的产生与超声波的接收分隔开来，使之互不干扰。

测试设备：信号发生器、ATA-8035射频功率放大器、示波器、水听器、超声换能器

实验过程：本实验超声波的产生部分由信号发生器和压电式换能器组成，信号发生器产生激励信号，压电式换能接收到激励信号后，由逆压电效应产生脉冲声波，脉冲信号的循环数设置为2，避免相互干扰。将压电换能器固定在水槽底部并装入纯水，超声波产生与传输部分并不直接触碰，由管内液体进行连接，其亚波长波导管前端有漏斗形状的部分为声波耦合装置，其目的是将压电换能器产生的声波导入到细细的管子中去，因为我们的实方法为时差法，故亚波长波导管有两个支管，可通过分别对两个支管声波进行检测，并获得它门之间的延时以对声速进行测量，最后通过水听器来接收信号。

图b：不同材料的声速测量结果

图c：不同材料下声速随频率变化的点线图

实验结果：将图b不同材料的声速测量结果画成点线图后便于观察，如图c所示，结合图表我们观察我们发现，材料为钢的亚波长波导管中管壁材料的声速接近于其材料本身的纵振动速度5000m/s，管内介质的声速也接近于管中纯水的声速1480m/s，说明当亚波长波导管采用钢作为管壁材料时，在亚波长尺度下，管壁与管内介质中的声波并没发生固液耦合；材料为黄铜的波导管中测量到的管壁中声速低于其材料本身的声速，材料为有机玻璃的波导管中测量到的管壁中声速高于其材料本身的声速，且由于未能测量到这两种材料的波导管管中介质的声速，故无法进一步判断耦合的情况。

当亚波长波导管的管壁材料为石英玻璃时，测量到的管壁声速高于其本身材料中的纵振动声速，测量到的管内介质的声速低于管中纯水本身的声速，故在亚波长尺度下，材料为石英玻璃的亚波长波导管发生了固液耦合。

ATA-8035射频功率放大器简介

ATA-8035是一款射频功率放大器。其P1dB输出功率250W，饱和输出功率500W。增益数控可调，一键保存设置，提供了方便简洁的操作选择，可与主流的信号发生器配套使用，实现射频信号的放大。宽范围供电电源，可兼容全球不同地区的电源标准。

工作模式：ClassA

工作频率：100kHz~3MHz

P1dB输出功率：250W

饱和输出功率：500W

功率增益：51dB

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