任何超聲測(cè)量方法都是根據(jù)聲傳播時(shí)間和波幅或頻率變化的分析來進(jìn)行。當(dāng)然，超聲測(cè)流方法也不可能例外。因此，對(duì)超聲波在物質(zhì)中的傳播特點(diǎn)以及超聲傳感器需要有所了解.

    一、超聲波

    1.聲速

超聲波在不同媒質(zhì)中傳播速度c是不一樣的.氣體在350m/s左右;液體1500m/s左右;固體5000m/s左右。表4.4列出了一些物質(zhì)的聲速、密度和特性阻抗。

   注:1.cL和cT分別為無限固體介質(zhì)中縱波聲速和橫波聲速；cp為板中縱波聲速；cB為棒中縱波聲速。

      2.高分子材料的聲速與頻率有關(guān)，表中為1MHz時(shí)的聲速值。

2.聲衰減

  在空氣中傳播的超聲波除了因擴(kuò)散引起衰減外，由于空氣中黏滯性、熱傳導(dǎo)以及分子的吸收也會(huì)引起聲的衰減。衰減系數(shù)α按Kirchoff理論為

μ—黏滯系數(shù);

κ—熱傳導(dǎo)系數(shù);

γ—比熱容比;

cν—比定容熱容;

w—2πf角頻率;

ρ—密度;

c—聲速。

由式（4.5），20℃時(shí)的空氣α[m-1]為

式中f——超聲波頻率，Hz

  對(duì)于水

此處的1/α是位移幅度衰減到1/e （e為自然對(duì)數(shù)的底）的距離，如用x代表距離，則空氣

    表4.5為改變上式中的頻率求取x值所得結(jié)果。從表中所得結(jié)果看出，空氣與水相比，其聲衰減隨頻率的增大而急劇增加，即空氣（各種氣體均如此）不利于高頻聲傳播，衰減很快，如500kHz以上.實(shí)際上，會(huì)由于媒質(zhì)的不均勻、雜質(zhì)的存在等因素還有所變化。頻率低衰減固然小，但*的指向性會(huì)差，易受干擾。故液體中超聲頻率取1~5MHz,而氣體中取50~300kHz。當(dāng)然，選擇工作頻率時(shí)，還應(yīng)考慮*之間的距離（聲程）以及測(cè)量的精確度等。

3.特性阻抗與聲反射、聲折射和聲散射

    特性阻抗z表示媒質(zhì)聲特性的特征值，由媒質(zhì)的密度ρ和聲速c之積確定.氣體、液體與固體的特性阻抗之比約為1 : 3000 : 80000，它們的差異比較大.超聲波從一種媒質(zhì)進(jìn)入另一種媒質(zhì)的能力取決于它們的特性阻抗.表4.6列出了不同物質(zhì)正人射時(shí)的聲能反射量，即反射系數(shù).聲的反射和折射依據(jù)斯奈爾（（Snell ）定律，即人射角αi等于反射角。αr;折射率為sinαi/c1=sinaαr/c1=sinaαt/c2=常數(shù)。如圖4.3所示?？v波從流體向固體傾斜射入（流體中只存在縱波），在固體中除縱波外，還存在橫波.分界面法線的縱波人射角為αi、反射角為αr、折射角為αt、橫波的折射角為αt′。媒質(zhì)I. II中的縱波速度為c1、c2橫波的速度為c′2另外，高頻率的超聲波，如2MHz，在照射到含有氣泡和固體顆粒的液體時(shí)，會(huì)產(chǎn)生聲散射。）

4.*的指向性

一個(gè)*的指向性可用下式表達(dá)sinβ=1.22λ/D

式中β—指向性半角;

    λ—波長(zhǎng);

    D—圓形輻射面直徑。

    圖4.4所示為指向性圖.氣介*的β角一般取3°~7°，液介*一般取2°~1°可以說*的指向性均要求尖銳，以使聲能較為集中。

    二、*

    *是一種電聲轉(zhuǎn)換器件.它的核心是壓電元件，由PZT（鋯鈦酸鉛）、PVDF（聚偏氟乙烯）等壓電材料側(cè)成。表4.7a是壓電材料的物理特性。表4. 7b是壓電材料的一些物理常數(shù)。

設(shè)計(jì)壓電元件時(shí)的技術(shù)要求有以下幾點(diǎn)。

    ①表面應(yīng)平整、無缺損、色擇均勻，無電擊痕跡。

    ②材料的厚向耦合系數(shù)要高，壓電常數(shù)d,g高，機(jī)械品質(zhì)因數(shù)和介電系數(shù)大小適當(dāng)。

    ③頻率高低應(yīng)考慮到被測(cè)介質(zhì)、管徑、儀表技術(shù)性能的要求。

    ④給出外形尺寸和電極樣式。一般來說，壓電元件均是向元件制造廠定制的。

用于測(cè)量液體流量的*，其工作頻率在0.5~5MHz. PZT壓電薄片（圓片、半圓片、方形、矩形）換能器是常用的，它的頻率由下式確定

式中kd—頻率常數(shù)，PZT約為2200；

D——厚度（應(yīng)遠(yuǎn)小于橫向尺寸）。

一個(gè)1MHz的PZT壓電圓片，直徑在10~30mm，厚約2mm；1.5MHz的直徑在15mm左右，厚約1.3mm。壓電圓片換能器有三種基本結(jié)構(gòu)，如圖4.5所示。圖4.5（a）所示是兩端空氣介質(zhì)的圓片換能器（適用于氣體介質(zhì)），若在聲輻射面加上一個(gè)1/4波長(zhǎng)厚度的匹配層（或稱匹配器）就可以有效地提高發(fā)射和接手效率。雙層匹配效果會(huì)更好。匹配層采用低密度、低能器，一端與液體接觸輻射聲波，另一端用于輸入（出）電信號(hào)。若前后端設(shè)置匹配層，也可以有效地提高電聲轉(zhuǎn)換效率和擴(kuò)展頻帶寬度。圖4.5（c）所示是一種帶聲導(dǎo)體的*，適用于液體介質(zhì)（尤其是高溫介質(zhì)等場(chǎng)合）。它的一端固體（聲導(dǎo)體）接觸，另一端為電的輸入（出）口。這種換能器需要通過耦合介質(zhì)（油脂、甘油、硅脂等）與聲導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)聲耦合，甚至直接將他們焊在一起。圖4.6所示是幾種使用超聲流量傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，適用于不同種類的超聲流量傳感器。*的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上應(yīng)慎重考慮如下幾個(gè)問題。

①足夠的靈敏度和合適的聲束指向性。

②信號(hào)波形畸變小、無雜波，對(duì)于脈沖信號(hào)前沿要陡峭為佳。

③密封性好。

④耐環(huán)境腐蝕、振動(dòng)、溫度等。

⑤足夠的機(jī)械強(qiáng)度

⑥安裝方便等。

用于氣體的*工作頻率比較低，一般在40~200kHz。明渠超聲流量計(jì)所用的*多數(shù)在60kHz左右。*的振動(dòng)模式、計(jì)算公式和結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對(duì)于匹配器要求也高。此類*，除壓電圓片、短圓柱換能器外，還有彎曲式、夾心式，以及管狀*，其中以夾心式換能器zui為重要，如圖4.7所示。它的前蓋板是鋁合金

或鈦合金，后蓋板通常為鋼或黃銅，中間為環(huán)形壓電元件以偶數(shù)疊合，相鄰兩片的極性相反，電極片間相關(guān)聯(lián)。三者用預(yù)應(yīng)力螺桿夾緊.設(shè)計(jì)者請(qǐng)參閱本章所列文獻(xiàn)中的[4.6]和[4.7]。

三、超聲流量傳感器

    超聲流量傳感器是超聲流量計(jì)的重要組成部分，包含換能器、管道（或標(biāo)準(zhǔn)管段），以及安裝附件等。換能器質(zhì)*劣、聲道尺寸（聲程、聲道角、管經(jīng)、管段等）、耐壓、耐環(huán)境溫度、耐腐蝕性能對(duì)傳感器來講均十分重要.    傳感器中，超聲（或聲）換能器數(shù)目從1個(gè)到10個(gè)以上都有。在無源的流量開關(guān)中，僅用一個(gè).通常傳感器使用1-5對(duì)換能器，甚至更多，以提高流速側(cè)盆的精確度.每一對(duì)換能器都是可逆的，即它們可以交替發(fā)射和接收聲信號(hào).聲傳播的路線通常稱之為聲道，按幾何聲學(xué)聲道應(yīng)是線狀的單聲道的形狀有Z式、V式、w式等.2-5聲道的多平行于圓管直徑等距離排列，或采用矩陣式排列，使聲道在流速剖面上呈網(wǎng)狀分布，如圖4.2和圖4.8所示。

 另一種選擇是取侵入式（穿透管壁的）還是非侵入式的*.侵入式的與流體直接相接觸，聲道多樣化，機(jī)械尺寸較為精確，如圖4.2所示.而且穿過流體（這里指液體）的檢測(cè)角（或稱聲道角）比非侵入式的要大約45°。這樣，對(duì)流速的變化較為靈敏。一定情況下，*所產(chǎn)生的聲脈沖信號(hào)前沿也可以做得很陡。為了使用方便，將侵人式傳感器設(shè)計(jì)成帶有法蘭的標(biāo)準(zhǔn)管段，并成系列化.對(duì)于水泥管，可將*置于管內(nèi)壁上，常稱內(nèi)置式。

    非侵入式傳感器，或稱夾緊式，用于安裝在已有管道上，亦可做成管段式.其基本的構(gòu)成如圖4.9所示。超聲波通過聲楔（塑料制品或金屬材料）進(jìn)入管道和液體，按照斯奈爾定律，始發(fā)的聲波為縱波，在鋼管的界面上出現(xiàn)橫波和縱波，僅使橫波進(jìn)入液體，而將縱波全反射掉。超聲波進(jìn)入液體后又變成縱波，穿越液體后，經(jīng)對(duì)面的管壁、聲楔，為另一*所接收。從*1到*2的聲信號(hào)為順向;反之為逆向。非侵人式超聲流量傳感器的優(yōu)點(diǎn)是不破壞管壁的完整性，不影響流體.若聲楔為塑料制成，角α約40°.聲波由于折射而多次改變方向，超聲信號(hào)損耗較大，并伴有形狀變化，尤其對(duì)脈沖信號(hào)。

    各種超聲流量傳感器的用途和適用范圍如下.

    （1）夾裝式傳感器 換能器在管道外安裝，適用于固定式或便攜式。換能器不接觸液體，不干擾流場(chǎng)、不受流體壓力的影響，特別適合封閉管道中高壓、強(qiáng)腐蝕和放射性液體流量的*或短時(shí)測(cè)量。

    （2）插人式傳感器 用于管壁允許打通孔的管道?？梢允菢?biāo)準(zhǔn)管段式的或現(xiàn)有管道.不少產(chǎn)品維修可不影響管道正常工作。

    （3）內(nèi)置式傳感器 安裝于混凝土管或其管壁不允許打孔、換能器不能在管外進(jìn)行安裝的管道。