超声波流量计探头及换能器原理  二十一

在发射声波的状态下，电源电势使电路中产生电流i，则电路上的电功率为：We=IU=I2R=i2（Zo+Ze）（这里指串联电路）电流i通过Zo在可动系统中产生一个电磁力F，在此力作用下，可动系统元件Zo’以一定速度作受迫振动，推动相邻的传声介质Zm（即负载，如空气对振动膜的力阻抗）以同一速度振动从而辐射声波，则机械功率为：Wm=F2/（Zo’+Zm）（与电路上的W=U2/R相似）

则力F可与电路中的电压U类比，因此其发射效率为：

η发=输出机械功率Wm/输入电功率We =[F2/（Zo’+Zm）]/[i2（Zo+Ze）]在接收声波的状态下，力源（声波）以速度V振动，力阻抗Zm传递到相连换能器的可动部分力阻抗Zo’上，使Zo’以同一速度振动，则有机械功率：Wm=V2（Zo’+Zm）（与电路中W=i2R相似），即V可与电流i类比。

Zo’的振动在电路元件Zo中产生感应电势E，在电路中产生电流i，换能器可动系统的电阻抗Zo，输出负载（如接收显示电路）的电阻抗Ze，仍按串联电路考虑

时有电功率：We=E2/（Zo+Ze），因此其接收效率为：η收=输出电功率We/输入机械功率Wm =[E2/（Zo+Ze）]/[V2（Zo’+Zm）]由于整个系统的发射与接收是可逆的，对同一系统而言，其电-机转换和机-电转换两者消耗的功率应当相同，亦即效率相同，即：η发=η收，于是：[F2/（Zo’+Zm）]/[i2（Zo+Ze）]=[E2/（Zo+Ze）]/[V2（Zo’+Zm）]我们可以看到：F/i=E/V=K2（考虑互逆性而取平方）

我们把K2称之为机电耦合系数，其物理意义是：在任何一种机电换能器的换能过程中，主要牵涉到电动势E、振动速度V、力F和电流i四个量，在机-电转换过

程中（接收过程）为F→V→E→i，而电-机转换过程中（发射过程）则为E→i→F→V，无论哪一过程总有F/i=E/V，该值与阻抗Zo、Zo’和Zm之值无关。

超声波流量计