任何超声测量方法都是根据声传播时间和波幅或频率变化的分析来进行。当然，超声测流方法也不可能例外。因此，对超声波在物质中的传播特点以及超声传感器需要有所了解.

    一、超声波

    1.声速

超声波在不同媒质中传播速度c是不一样的.气体在350m/s左右;液体1500m/s左右;固体5000m/s左右。表4.4列出了一些物质的声速、密度和特性阻抗。

   注:1.cL和cT分别为无限固体介质中纵波声速和横波声速；cp为板中纵波声速；cB为棒中纵波声速。

      2.高分子材料的声速与频率有关，表中为1MHz时的声速值。

2.声衰减

  在空气中传播的超声波除了因扩散引起衰减外，由于空气中黏滞性、热传导以及分子的吸收也会引起声的衰减。衰减系数α按Kirchoff理论为

μ—黏滞系数;

κ—热传导系数;

γ—比热容比;

cν—比定容热容;

w—2πf角频率;

ρ—密度;

c—声速。

由式（4.5），20℃时的空气α[m-1]为

式中f——超声波频率，Hz

  对于水

此处的1/α是位移幅度衰减到1/e （e为自然对数的底）的距离，如用x代表距离，则空气

    表4.5为改变上式中的频率求取x值所得结果。从表中所得结果看出，空气与水相比，其声衰减随频率的增大而急剧增加，即空气（各种气体均如此）不利于高频声传播，衰减很快，如500kHz以上.实际上，会由于媒质的不均匀、杂质的存在等因素还有所变化。频率低衰减固然小，但*的指向性会差，易受干扰。故液体中超声频率取1~5MHz,而气体中取50~300kHz。当然，选择工作频率时，还应考虑*之间的距离（声程）以及测量的精确度等。

3.特性阻抗与声反射、声折射和声散射

    特性阻抗z表示媒质声特性的特征值，由媒质的密度ρ和声速c之积确定.气体、液体与固体的特性阻抗之比约为1 : 3000 : 80000，它们的差异比较大.超声波从一种媒质进入另一种媒质的能力取决于它们的特性阻抗.表4.6列出了不同物质正人射时的声能反射量，即反射系数.声的反射和折射依据斯奈尔（（Snell ）定律，即人射角αi等于反射角。αr;折射率为sinαi/c1=sinaαr/c1=sinaαt/c2=常数。如图4.3所示。纵波从流体向固体倾斜射入（流体中只存在纵波），在固体中除纵波外，还存在横波.分界面法线的纵波人射角为αi、反射角为αr、折射角为αt、横波的折射角为αt′。媒质I. II中的纵波速度为c1、c2横波的速度为c′2另外，高频率的超声波，如2MHz，在照射到含有气泡和固体颗粒的液体时，会产生声散射。）

4.*的指向性

一个*的指向性可用下式表达sinβ=1.22λ/D

式中β—指向性半角;

    λ—波长;

    D—圆形辐射面直径。

    图4.4所示为指向性图.气介*的β角一般取3°~7°，液介*一般取2°~1°可以说*的指向性均要求尖锐，以使声能较为集中。

    二、*

    *是一种电声转换器件.它的核心是压电元件，由PZT（锆钛酸铅）、PVDF（聚偏氟乙烯）等压电材料侧成。表4.7a是压电材料的物理特性。表4. 7b是压电材料的一些物理常数。

设计压电元件时的技术要求有以下几点。

    ①表面应平整、无缺损、色择均匀，无电击痕迹。

    ②材料的厚向耦合系数要高，压电常数d,g高，机械品质因数和介电系数大小适当。

    ③频率高低应考虑到被测介质、管径、仪表技术性能的要求。

    ④给出外形尺寸和电极样式。一般来说，压电元件均是向元件制造厂定制的。

用于测量液体流量的*，其工作频率在0.5~5MHz. PZT压电薄片（圆片、半圆片、方形、矩形）换能器是常用的，它的频率由下式确定

式中kd—频率常数，PZT约为2200；

D——厚度（应远小于横向尺寸）。

一个1MHz的PZT压电圆片，直径在10~30mm，厚约2mm；1.5MHz的直径在15mm左右，厚约1.3mm。压电圆片换能器有三种基本结构，如图4.5所示。图4.5（a）所示是两端空气介质的圆片换能器（适用于气体介质），若在声辐射面加上一个1/4波长厚度的匹配层（或称匹配器）就可以有效地提高发射和接手效率。双层匹配效果会更好。匹配层采用低密度、低能器，一端与液体接触辐射声波，另一端用于输入（出）电信号。若前后端设置匹配层，也可以有效地提高电声转换效率和扩展频带宽度。图4.5（c）所示是一种带声导体的*，适用于液体介质（尤其是高温介质等场合）。它的一端固体（声导体）接触，另一端为电的输入（出）口。这种换能器需要通过耦合介质（油脂、甘油、硅脂等）与声导体实现声耦合，甚至直接将他们焊在一起。图4.6所示是几种使用超声流量传感器的结构示意图，适用于不同种类的超声流量传感器。*的结构设计上应慎重考虑如下几个问题。

①足够的灵敏度和合适的声束指向性。

②信号波形畸变小、无杂波，对于脉冲信号前沿要陡峭为佳。

③密封性好。

④耐环境腐蚀、振动、温度等。

⑤足够的机械强度

⑥安装方便等。

用于气体的*工作频率比较低，一般在40~200kHz。明渠超声流量计所用的*多数在60kHz左右。*的振动模式、计算公式和结构较为复杂，对于匹配器要求也高。此类*，除压电圆片、短圆柱换能器外，还有弯曲式、夹心式，以及管状*，其中以夹心式换能器zui为重要，如图4.7所示。它的前盖板是铝合金

或钛合金，后盖板通常为钢或黄铜，中间为环形压电元件以偶数叠合，相邻两片的极性相反，电极片间相关联。三者用预应力螺杆夹紧.设计者请参阅本章所列文献中的[4.6]和[4.7]。

三、超声流量传感器

    超声流量传感器是超声流量计的重要组成部分，包含换能器、管道（或标准管段），以及安装附件等。换能器质*劣、声道尺寸（声程、声道角、管经、管段等）、耐压、耐环境温度、耐腐蚀性能对传感器来讲均十分重要.    传感器中，超声（或声）换能器数目从1个到10个以上都有。在无源的流量开关中，仅用一个.通常传感器使用1-5对换能器，甚至更多，以提高流速侧盆的精确度.每一对换能器都是可逆的，即它们可以交替发射和接收声信号.声传播的路线通常称之为声道，按几何声学声道应是线状的单声道的形状有Z式、V式、w式等.2-5声道的多平行于圆管直径等距离排列，或采用矩阵式排列，使声道在流速剖面上呈网状分布，如图4.2和图4.8所示。

 另一种选择是取侵入式（穿透管壁的）还是非侵入式的*.侵入式的与流体直接相接触，声道多样化，机械尺寸较为精确，如图4.2所示.而且穿过流体（这里指液体）的检测角（或称声道角）比非侵入式的要大约45°。这样，对流速的变化较为灵敏。一定情况下，*所产生的声脉冲信号前沿也可以做得很陡。为了使用方便，将侵人式传感器设计成带有法兰的标准管段，并成系列化.对于水泥管，可将*置于管内壁上，常称内置式。

    非侵入式传感器，或称夹紧式，用于安装在已有管道上，亦可做成管段式.其基本的构成如图4.9所示。超声波通过声楔（塑料制品或金属材料）进入管道和液体，按照斯奈尔定律，始发的声波为纵波，在钢管的界面上出现横波和纵波，仅使横波进入液体，而将纵波全反射掉。超声波进入液体后又变成纵波，穿越液体后，经对面的管壁、声楔，为另一*所接收。从*1到*2的声信号为顺向;反之为逆向。非侵人式超声流量传感器的优点是不破坏管壁的完整性，不影响流体.若声楔为塑料制成，角α约40°.声波由于折射而多次改变方向，超声信号损耗较大，并伴有形状变化，尤其对脉冲信号。

    各种超声流量传感器的用途和适用范围如下.

    （1）夹装式传感器 换能器在管道外安装，适用于固定式或便携式。换能器不接触液体，不干扰流场、不受流体压力的影响，特别适合封闭管道中高压、强腐蚀和放射性液体流量的*或短时测量。

    （2）插人式传感器 用于管壁允许打通孔的管道。可以是标准管段式的或现有管道.不少产品维修可不影响管道正常工作。

    （3）内置式传感器 安装于混凝土管或其管壁不允许打孔、换能器不能在管外进行安装的管道。