超聲換能器的主要性能指標

       描述超聲換能器的性能指標有工作頻率、機電耦合係數、機電轉換系數、品質因數、方向特性、發送功率、效率、靈敏度等。根據實際用處不同，以及使用場合的不同對不同的換能器性能提出不同的要求，例如對軍事上用的換能器與對超聲測量儀用的換能器所提出的要求不一樣，對發射和接收用的換能器所提出的要求也不一樣。

1 發射換能器和接收換能器共同要求的性能指標

1.1 工作頻率

       超聲換能器的工作頻率的選擇是很重要的，它不僅直接關係到換能器的頻率特性和方向特性，也影響到換能器的發射功率、效率和靈敏度等重要性能指標，換能器的工作頻率應該與整個超聲設備的工作頻率一致，一般情況下，它是根據對整個超聲設備的技術論證針對一定的應用來確定的。

        通常，發射換能器工作頻率就等於它本身的諧振基頻，這樣可以獲得最佳工作狀態、取得最大的發射功率和效率，主動式超聲換能器處在接收狀態下的工作頻率是與發射狀態下的工作頻率近似相等的，而對被動式接收換能器而言它的工作頻率是一個較寬的頻帶，同時要求換能器自身的諧振基頻要比頻帶的最高頻率還要高，以保證換能器有平坦的接收響應。

1.2 換能器的機電轉換系數n和機電耦合係數k

       超聲換能器的機電轉換系數，是指在機電轉換過程中轉換後的力學量（或電學量）與轉換前的電學量（或力學量）之比，對於發射換能器

                                                  機電轉換系數 n = 力或振速/電壓或電流 

對於接收換能器

                                                 機電轉換系數 n = 應電勢或應電流/力或振速

換能器的機電耦合係數，是描述它在能量轉換過程中，能量相互耦合程度的一個物理量，其定義爲，對於發射換能器

                                 =機械振動系統因力效應而獲得的交變機械能/電磁系統所存儲的交變電磁能

對於接收換能器

                             =電磁系統因電效應獲得的交變電磁能/機械系統因聲場信號作用而存儲的交變機械能

對各種不同形式的換能器，其機電轉換系數和機電耦合係數均有具體的表達式。

1.3 換能器的阻抗特性

       換能器作爲一機電四端網絡，它具有一定的特性阻抗和傳輸常數，由於換能器在電路上要與發射機的末級迴路和接收機的輸入電路相匹配，所以在換能器設計時計算出換能器的等效輸入電阻抗的十分重要的。

       同時，還要分析它的各種特性阻抗特性，例如等效電阻抗、等效機械阻抗，靜態和動態阻抗、輻射阻抗等。

1.4 換能器的品質因數Q

       在電子學課和聲學課裏已經學過電路的電品質因數和機械系統的機械品質因數，由於換能器本身是一個機械系統和電路系統兩大部分構成，所以人們也常用電路系統的品質因數和機械系統的機械品質因數來共同描寫換能器的品質因數，通常是利用換能器的等效電路圖和等效機械圖，來求出換能器等效的和。

       換能器的Q值與其工作頻帶寬度和傳輸能量的效率有密切的關係，Q值的大小不僅與換能器的材料、結構、機械損耗的大小有關，還與輻射聲阻抗有關，所以同一個換能器處於不同介質中的Q值是不同的。

1.5 方向特性

       超聲換能器不論是用作發射還是接收，本身都具有一定的方向特性，不用應用的換能器對方向特性的要求也不同，對於一個發射換能器，其方向特性曲線的尖銳程度決定了它的發射聲能的集中程度，而對於一個接收換能器，它的方向特性曲線的尖銳程度決定了其探索空間方位角的範圍，所以超聲換能器的方向特性的好壞直接關係到超聲設備的作用距離。

1.6 換能器的頻率特性

       換能器的頻率特性是指換能器的一些重要參數指標隨工作頻率變化的特性。例如一接收換能器的接收靈敏度隨工作頻率變化的特性，對一個發射器要看它的發射功率和效率隨工作頻率變化的特性，對不同的換能器我們對它的頻率特性也提出了不同的要求，例如：對被動式的換能器，要求它的接收靈敏度頻率特性曲線儘量平滑，使其不論是低頻噪聲，還是高頻噪聲，只要是它的幅度差不多，則水聽器產生的輸出電壓大小是近似相等的。

2 對發射換能器特別要求的性能指標

2.1 發射聲功率

它是描寫一個發射器在單位時間內向介質聲場輻射聲能多少的物理量， 它的大小直接影響超聲處理的效果，換能器的發射聲功率一般是隨着工作頻率而變化的，在其機械諧振頻率時可以獲得最大的發射聲功率，此外，我們還經常遇到另外兩種功率概念：一是換能器所消耗的總的電功率，二是換能器的機械振動系統所消耗的機械功率。

2.2 發射效率

       換能器作爲能量傳輸網絡，其傳輸效率通常採用不同的三個效率概念來描寫：機電效率、機聲效率和電聲效率，其定義分別爲：

       機電效率 ------ 換能器本身將電能轉換爲機械能的效率，其大小等於機械系統所獲得的全部有功功率與輸入換能器的總的信號功率之比，即

                                                                                

式中，，表示換能器的電路系統的有功電磁損耗功率，換能器的機電效率越高，表示其電損耗功率越小。

       機聲效率 ------ 換能器的機械振動系統將機械能轉換成聲能的效率，其大小等於發射的聲功率與機械振動系統所獲得的有功功率之比

                                                                                

式中，，表示機械振動系統的摩擦損耗功率，所以換能器的機聲效率越高，表明它的機械損耗越小。

電聲效率 ------ 換能器將電能轉換成聲能的總效率，它等於發射聲功率與輸入換能器的總的電功率之比

                                                                        

顯見，換能器的電聲效率等於它的機電效率和機聲效率的乘積。

        換能器的各種效率不僅與其工作頻率有關，也與換能器類型、材料、結構等方面的因素有關，對於發射換能器有時也用發射響應（發射靈敏度）和非線性失真係數兩種性能指標。

3 對接收換能器特別要求的性能指標

3.1 接收換能器的靈敏度（接收聲場的響應）

        這是對接收換能器最重要的一個指標，又有電壓靈敏度、電流靈敏度之分。

        所謂接收換能器的自由場電壓靈敏度，就是指接收換能器的輸出電壓與在聲場中引入換能器之前該點的自由聲場聲壓的比值

                                                                    

式中，表示接收換能器電負載上所產生的電壓(V)；表示接收換能器接收面處自由聲場的聲壓()，有時也用dB表示

                                                                  

其基準靈敏度取爲，稱爲自由場電壓靈敏度級。

       所謂接收換能器的自由場電流靈敏度（自由場電流響應），是指接收換能器輸出電流與在聲場中引入接收器之前的自由聲場聲壓的比值，記爲

                                                                

式中，單位是A，單位是。

       在實際中，我們一般都採用電壓靈敏度討論問題，不常用電流靈敏度。

3.2 等效噪聲壓

       當換能器用於接收器時，由於接收器內部的電聲轉換器件（例如壓電陶瓷片）在一定的溫度下內部分子的熱運動等將產生噪聲，稱爲自噪聲或固有噪聲。這種自噪聲的大小決定了接收器所能測量的有用信號的最小可能值，它包含有許多頻率成分，可取在一赫茲頻帶寬度上的均方根電壓來量度其大小。

       設有一正弦聲波入射到接收器上（如果接收器尺寸不必聲波小很多，則應當沿正入射方向投射到振動面上），當此電壓輸出的有效值等於接收器自噪聲在一赫茲帶寬上的均方根電壓值時，則入射聲壓的有效值叫做等效噪聲壓，接收器等效聲壓在數值上等於自噪聲在一赫茲帶寬上的均方根電壓值與接收器靈敏度的比值，等效噪聲壓對1bar基準聲壓所取的分貝數，稱爲接收換能器的等效噪聲聲壓級。