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哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文） 2. 束射特性
超声波具有射线性和方向性。对有方向性的超声波换能器来说，在相同辐射条件下，频率越高，方向性越尖锐。离超声波声源较近的区域，超声波波束几乎平行分布，称为近场区，近场区范围是：
r2f L?? (2-2)
cL—近场长度 r—声源半径。
在远离声源的地方，波束开始向四周扩散，扩散束和平行波之间形成半扩散角?。扩散角大小由公式2-3决定：
? sin?? (2-3)
1.64r?—波长 r—声源半径 ?—半扩散角
半扩散角越小，方向性越强，能量越集中，声源能量利用率越高。 3. 射线特性
超声波在传播过程中，当遇到两种不同声阻抗的物质形成的界面时，会发生反射和折射现象。其反射和折射遵循几何光学规律。设界面上的声波入射角为?，反射角为?，折射角为?，则有???，?和?一般不等。两种介质的声阻抗相差越大，反射波越强，投射越弱。水（或固体）与气体之间的声阻抗很大（约4000倍），反射极强，透射很少，几乎形成全反射。如果能量足够大，声波可以在两平行界面间来回反射多次，直至能量衰减完竭为止，即所谓的“多次反射”。
反射声压和入射声压比称为声压反射系数，由下式决定其大小：
R??2c2??1c1 (2-4)
?2c2??1c1?1c1和?2c2分别为两种介质的声阻抗率。
透射声压和入射声压比称为声压透射系数，由下式决定其大小：
T?2?2c2 (2-5)
?2c2??1c1另外，当超声波投射到不平整界面时，会发生聚焦、散射、散焦等现象。
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哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文） 当通过尺寸和自身波长差不多的障碍物时，会发生绕射现象，若障碍物尺寸远大于超声波波长，绕射现象不明显。
4. 吸收特性
超声波在传播过程中，除波真面扩大引入衰减外，传播介质会对其进行吸收。前述散射、热传导等都是引起声能被吸收的原因。
5. 多普勒效应
声源发射超声波时，若声源与被测物体之间有相对运动，则反射波频率会发生变化，且变化大小与相对运动速度成正比，此种现象即为多普勒效应。计算公式如下：
cos? ?f?2v (2-6)
??f—频移（发射波与反射波的频率差）
v—声源与被测物体间的为相对运动速度 ?—超声波入射方向与运动方向之间的夹角 ?—超声波波长
6. 空化效应
所谓空化，即空腔在液体中形成及空腔迅速闭合。空腔之所以会产生，是因为：液体流绕过障碍物时，在液体中产生足够大的拉张应力，液体被拉伸而产生空腔。如螺旋桨高速旋转、液体从喷嘴流出等都会发生空化效应。超声波声压超过某一阈值时，液体即会发生空化，这是超声波在负半周对液体拉伸时将介质撕裂而产生的。空化过程中伴随着强烈的局部冲击，利用这一现象产生了超声清洗、超声分散、超声粉碎固体等技术。
2.2超声波换能器简介
换能器是一种将一种形式的能量转换为另一种形式的能量的器件。换能器的类型随着能量的不同而种类各异。
实现能量在电能和声能之间互相转换的器件被称为超声波换能器。它的作用是，把其他形式的能转换成高频机械振动；抑或接收超声振动，将其转化成易于测量的电信号。根据工作原理的不同，超声波换能器可分为压电式、磁致伸缩式、光电效应式、静电效应式等多种类型。
压电式超声波换能器是根据压电材料的压电效应做成的。对压电材料施加压力，在相对的两表面会产生电势差，这种现象被称为压电效应；将其放在电场中，材料自身会产生形变，这种现象被称为反压电效应。如果将压电材料放在变化的高频电场中，压电材料会产生高频振动；相反，若用超声振动刺激压电材料，就可以检测到高频电信号。压电式超声波换能器就是利用这种原理做
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哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文） 成的。
压电式超声波换能器种类繁多。按能量转换方式可分为接收型、发射型、复合型；按压电器件的形状分有：圆环形、圆板形、圆管形、球壳形、薄膜型等；按振动方向可分为切向型、径向型、纵向型等。
压电式超声波换能器现已深入到身边的各个领域，在农业、工业、医疗卫生以及军事等领域具有广泛的应用，越来越成为人们生产生活不可或缺的重要工具。
2.3超声波换能器的性能指标
对超声波换能器的性能进行测试，首先要明确评价超声波换能器的性能指标，根据性能指标制定出相应的测试方法。超声波换能器的性能指标主要有工作频率、机电耦合系数、机电转换系数、方向特性、灵敏度等。根据应用场合的差异对换能器的性能有着不同的要求。
2.3.1超声波换能器常用性能指标
超声波常用性能指标主要体现在以下七个方面。 1. 工作频率f
大多数工作频率选取在换能器的机械共振频率附近，因此超声波换能器的工作频率一般指换能器的机械共振频率或附近值。
2. 机电耦合系数K
超声波换能器的机械能与电能相互转换过程，就是机械耦合过程。机电耦合系数定义为：
K?贮存的机械能量 (2-7)
从电池获取的总能量压电元件的机械能与它的形状和振动方式有关，因此不同形状和不同振动方式所对应的换能器，其机电耦合系数也是不同的。机电耦合系数为无量纲单位。
3. 机械品质因数Qm
Qm是从电学引到机械振动系统中的一个重要物理量。它与换能器的机电耦合系数、所在介质的辐射阻、换能器的结构、材料及损耗等有着非常紧密的关系。
4. 换能器的阻抗特性
换能器的等效机电模型为六端口网络模型，每个端口都有一定的特性阻抗。因此，换能器一方面要与发射电路（接收电路）末级电阻抗相匹配，一方面换能器要与辐射声负载（接收声负载）相匹配。这个匹配条件至关重要。
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哈尔滨工业大学（威海）本科毕业设计（论文） 5. 换能器的方向特性
对于发射或接收声波换能器，其尺寸和所在介质的声波波长可比拟时，它发射的声能集中在某些方向上，声能是方位角的函数。所作出的声压随方位角的变化曲线图称为方向性图。方向特性曲线越尖锐，换能器发射声能的集中程度就越高，超声设备的作用距离也就越远。
6. 换能器的效率
作为能量传输网络，换能器有三个不同的能量传输效率。即机电效率、机声效率、电声效率。机电效率越高，则电损耗功率越小；机声效率越高，则机械摩擦损耗功率越小。超声波换能器的电声效率为机声效率与机电效率的乘积。
换能器的效率与振动类型、换能器材料、振动系统的结构等紧密相关。通常电压式超声波换能器的电声效率在30~50%范围内。
7. 频率特性
频率特性主要指功率、声压、阻抗、灵敏度等随频率变化的特性。超声波换能器在一定带宽内获得平坦的阻抗频率特性具有重大意义，它可以在负载变化时保持阻抗匹配，保证系统的高效率工作状态。
2.3.2超声波换能器评价方法
本课题研究的是小功率压电陶瓷式超声波换能器。由国内外现状分析可知，现有的超声波换能器测试方法基本上限制在小信号测试，但无论是导纳圆法、阻抗圆法、传输线法还是功率曲线法都局限于测试超声波换能器的单一或单独几个性能指标。本课题采用测量不同频率下超声不换能器发射及接受信号电压的方法，对超声波换能器的性能进行综合评定。
2.4本章小结
本节主要介绍了超声波的特点及主要物理性质，介绍了超声波换能器的工作原理及其常用性能指标，分析说明了本设计所采用的评价换能器性能的方法。
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