超聲波流量計探頭及換能器原理  二十一

在發射聲波的狀態下，電源電勢使電路中產生電流i，則電路上的電功率為：We=IU=I2R=i2（Zo+Ze）（這里指串聯電路）電流i通過Zo在可動系統中產生一個電磁力F，在此力作用下，可動系統元件Zo’以一定速度作受迫振動，推動相鄰的傳聲介質Zm（即負載，如空氣對振動膜的力阻抗）以同一速度振動從而輻射聲波，則機械功率為：Wm=F2/（Zo’+Zm）（與電路上的W=U2/R相似）

則力F可與電路中的電壓U類比，因此其發射效率為：

η發=輸出機械功率Wm/輸入電功率We =[F2/（Zo’+Zm）]/[i2（Zo+Ze）]在接收聲波的狀態下，力源（聲波）以速度V振動，力阻抗Zm傳遞到相連換能器的可動部分力阻抗Zo’上，使Zo’以同一速度振動，則有機械功率：Wm=V2（Zo’+Zm）（與電路中W=i2R相似），即V可與電流i類比。

Zo’的振動在電路元件Zo中產生感應電勢E，在電路中產生電流i，換能器可動系統的電阻抗Zo，輸出負載（如接收顯示電路）的電阻抗Ze，仍按串聯電路考慮

時有電功率：We=E2/（Zo+Ze），因此其接收效率為：η收=輸出電功率We/輸入機械功率Wm =[E2/（Zo+Ze）]/[V2（Zo’+Zm）]由于整個系統的發射與接收是可逆的，對同一系統而言，其電-機轉換和機-電轉換兩者消耗的功率應當相同，亦即效率相同，即：η發=η收，于是：[F2/（Zo’+Zm）]/[i2（Zo+Ze）]=[E2/（Zo+Ze）]/[V2（Zo’+Zm）]我們可以看到：F/i=E/V=K2（考慮互逆性而取平方）

我們把K2稱之為機電耦合系數，其物理意義是：在任何一種機電換能器的換能過程中，主要牽涉到電動勢E、振動速度V、力F和電流i四個量，在機-電轉換過

程中（接收過程）為F→V→E→i，而電-機轉換過程中（發射過程）則為E→i→F→V，無論哪一過程總有F/i=E/V，該值與阻抗Zo、Zo’和Zm之值無關。

超聲波流量計