超聲波流量計主機與探頭原理探討  十二

⑵超聲波的衰減

超聲波在媒質中傳播時，其振幅將隨傳播距離的增大而減小，這種現象稱為超聲波的衰減。造成衰減的主要原因是因為一方面，超聲波在傳播過程中，在液體分子、固體顆粒、懸浮物和氣泡的作用下，有一部分聲能會不可逆轉地轉換成媒質的其他形式的能量，對超聲波來說就是有一部分能量被吸收了，通常認為流體的聲吸收衰減系數是與頻率的平方成正比的；另一方面，超聲波在媒質中傳播時，如果媒質中含有大量的散射粒子（如流體媒質中的懸浮粒子、液體中的小氣泡、固體媒質中的顆粒狀結構缺陷、摻雜物等），則一部分超聲波將被散射開來，不再沿原來方向前進，僅有余下的一部分是沿原方向繼續前進的，這樣就形成了散射衰減，而固體顆粒、懸浮物等散射物質本身又成為聲源，又會向所有方向輻射聲能，超聲工業測量技術中最常遇到的散射衰減情況是由大量的尺寸遠小于波長的散射粒子所引起的，通常可認為散射衰減系數與頻率的四次方成正比。

因此，超聲波在水中傳播時會不斷衰減，甚至會被噪聲淹沒。在設計過程中必須充分考慮以上兩大因素，采取相應的措施確保超聲波流量計的實現。

2.2.2 超聲換能器的結構及原理

超聲的發射和接收，需要一種電一聲之間的能量轉換裝置，這就是換能器。超聲換能器，也即超聲傳感器，是超聲波流量計中的重要組成部分。通常所說的超聲換能器一般是指電聲換能器，它是一種既可以把電能轉化為聲能、又可以把聲能轉化為電能的器件或裝置。換能器處在發射狀態時，將電能轉換為機械能，再將機械能轉換為聲能；反之，當換能器處在接收狀態時，將聲能轉換為機械能，再轉換為電能。超聲換能器通常都有一個電的儲能元件和一個機械振動系統。人們為研究和應用超聲波，己發明設計并制成了許多類型的超聲波發生器，目前使用較多的是壓電型超聲波發生器，而壓電材料有單晶體的、多晶體復合的，如石英單晶體，鈦酸鋇壓電陶瓷、鋯鈦酸鉛壓電陶瓷復合晶體((PZT)、PVDF 等。

壓電型超聲波換能器是借助壓電晶體的諧振來工作的，即晶體的壓電效應和逆壓電效應。

超聲波流量計