超声换能器的主要性能指标

       描述超声换能器的性能指标有工作频率、机电耦合系数、机电转换系数、品质因数、方向特性、发送功率、效率、灵敏度等。根据实际用处不同，以及使用场合的不同对不同的换能器性能提出不同的要求，例如对军事上用的换能器与对超声测量仪用的换能器所提出的要求不一样，对发射和接收用的换能器所提出的要求也不一样。

1 发射换能器和接收换能器共同要求的性能指标

1.1 工作频率

       超声换能器的工作频率的选择是很重要的，它不仅直接关系到换能器的频率特性和方向特性，也影响到换能器的发射功率、效率和灵敏度等重要性能指标，换能器的工作频率应该与整个超声设备的工作频率一致，一般情况下，它是根据对整个超声设备的技术论证针对一定的应用来确定的。

        通常，发射换能器工作频率就等于它本身的谐振基频，这样可以获得最佳工作状态、取得最大的发射功率和效率，主动式超声换能器处在接收状态下的工作频率是与发射状态下的工作频率近似相等的，而对被动式接收换能器而言它的工作频率是一个较宽的频带，同时要求换能器自身的谐振基频要比频带的最高频率还要高，以保证换能器有平坦的接收响应。

1.2 换能器的机电转换系数n和机电耦合系数k

       超声换能器的机电转换系数，是指在机电转换过程中转换后的力学量（或电学量）与转换前的电学量（或力学量）之比，对于发射换能器

                                                  机电转换系数 n = 力或振速/电压或电流 

对于接收换能器

                                                 机电转换系数 n = 应电势或应电流/力或振速

换能器的机电耦合系数，是描述它在能量转换过程中，能量相互耦合程度的一个物理量，其定义为，对于发射换能器

                                 =机械振动系统因力效应而获得的交变机械能/电磁系统所存储的交变电磁能

对于接收换能器

                             =电磁系统因电效应获得的交变电磁能/机械系统因声场信号作用而存储的交变机械能

对各种不同形式的换能器，其机电转换系数和机电耦合系数均有具体的表达式。

1.3 换能器的阻抗特性

       换能器作为一机电四端网络，它具有一定的特性阻抗和传输常数，由于换能器在电路上要与发射机的末级回路和接收机的输入电路相匹配，所以在换能器设计时计算出换能器的等效输入电阻抗的十分重要的。

       同时，还要分析它的各种特性阻抗特性，例如等效电阻抗、等效机械阻抗，静态和动态阻抗、辐射阻抗等。

1.4 换能器的品质因数Q

       在电子学课和声学课里已经学过电路的电品质因数和机械系统的机械品质因数，由于换能器本身是一个机械系统和电路系统两大部分构成，所以人们也常用电路系统的品质因数和机械系统的机械品质因数来共同描写换能器的品质因数，通常是利用换能器的等效电路图和等效机械图，来求出换能器等效的和。

       换能器的Q值与其工作频带宽度和传输能量的效率有密切的关系，Q值的大小不仅与换能器的材料、结构、机械损耗的大小有关，还与辐射声阻抗有关，所以同一个换能器处于不同介质中的Q值是不同的。

1.5 方向特性

       超声换能器不论是用作发射还是接收，本身都具有一定的方向特性，不用应用的换能器对方向特性的要求也不同，对于一个发射换能器，其方向特性曲线的尖锐程度决定了它的发射声能的集中程度，而对于一个接收换能器，它的方向特性曲线的尖锐程度决定了其探索空间方位角的范围，所以超声换能器的方向特性的好坏直接关系到超声设备的作用距离。

1.6 换能器的频率特性

       换能器的频率特性是指换能器的一些重要参数指标随工作频率变化的特性。例如一接收换能器的接收灵敏度随工作频率变化的特性，对一个发射器要看它的发射功率和效率随工作频率变化的特性，对不同的换能器我们对它的频率特性也提出了不同的要求，例如：对被动式的换能器，要求它的接收灵敏度频率特性曲线尽量平滑，使其不论是低频噪声，还是高频噪声，只要是它的幅度差不多，则水听器产生的输出电压大小是近似相等的。

2 对发射换能器特别要求的性能指标

2.1 发射声功率

它是描写一个发射器在单位时间内向介质声场辐射声能多少的物理量， 它的大小直接影响超声处理的效果，换能器的发射声功率一般是随着工作频率而变化的，在其机械谐振频率时可以获得最大的发射声功率，此外，我们还经常遇到另外两种功率概念：一是换能器所消耗的总的电功率，二是换能器的机械振动系统所消耗的机械功率。

2.2 发射效率

       换能器作为能量传输网络，其传输效率通常采用不同的三个效率概念来描写：机电效率、机声效率和电声效率，其定义分别为：

       机电效率 ------ 换能器本身将电能转换为机械能的效率，其大小等于机械系统所获得的全部有功功率与输入换能器的总的信号功率之比，即

                                                                                

式中，，表示换能器的电路系统的有功电磁损耗功率，换能器的机电效率越高，表示其电损耗功率越小。

       机声效率 ------ 换能器的机械振动系统将机械能转换成声能的效率，其大小等于发射的声功率与机械振动系统所获得的有功功率之比

                                                                                

式中，，表示机械振动系统的摩擦损耗功率，所以换能器的机声效率越高，表明它的机械损耗越小。

电声效率 ------ 换能器将电能转换成声能的总效率，它等于发射声功率与输入换能器的总的电功率之比

                                                                        

显见，换能器的电声效率等于它的机电效率和机声效率的乘积。

        换能器的各种效率不仅与其工作频率有关，也与换能器类型、材料、结构等方面的因素有关，对于发射换能器有时也用发射响应（发射灵敏度）和非线性失真系数两种性能指标。

3 对接收换能器特别要求的性能指标

3.1 接收换能器的灵敏度（接收声场的响应）

        这是对接收换能器最重要的一个指标，又有电压灵敏度、电流灵敏度之分。

        所谓接收换能器的自由场电压灵敏度，就是指接收换能器的输出电压与在声场中引入换能器之前该点的自由声场声压的比值

                                                                    

式中，表示接收换能器电负载上所产生的电压(V)；表示接收换能器接收面处自由声场的声压()，有时也用dB表示

                                                                  

其基准灵敏度取为，称为自由场电压灵敏度级。

       所谓接收换能器的自由场电流灵敏度（自由场电流响应），是指接收换能器输出电流与在声场中引入接收器之前的自由声场声压的比值，记为

                                                                

式中，单位是A，单位是。

       在实际中，我们一般都采用电压灵敏度讨论问题，不常用电流灵敏度。

3.2 等效噪声压

       当换能器用于接收器时，由于接收器内部的电声转换器件（例如压电陶瓷片）在一定的温度下内部分子的热运动等将产生噪声，称为自噪声或固有噪声。这种自噪声的大小决定了接收器所能测量的有用信号的最小可能值，它包含有许多频率成分，可取在一赫兹频带宽度上的均方根电压来量度其大小。

       设有一正弦声波入射到接收器上（如果接收器尺寸不必声波小很多，则应当沿正入射方向投射到振动面上），当此电压输出的有效值等于接收器自噪声在一赫兹带宽上的均方根电压值时，则入射声压的有效值叫做等效噪声压，接收器等效声压在数值上等于自噪声在一赫兹带宽上的均方根电压值与接收器灵敏度的比值，等效噪声压对1bar基准声压所取的分贝数，称为接收换能器的等效噪声声压级。