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图2水中温度和深度的关系曲线
2）超声波的衰减
超声波在媒质中传播时，其振幅将随传播距离的增大而减小，这种现象称为超声波的衰减。造成衰减的主要原因是因为一方面，超声波在传播过程中，在液体分子、固体颗粒、悬浮物和气泡的作用下，有一部分声能会不可逆转地转换成媒质的其他形式的能量，对超声波来说就是有一部分能量被吸收了，通常认为流 体的声吸收衰减系数是与频率的平方成正比的；另一方面，超声波在媒质中传播时，如果媒质中含有大量的散射粒子（如流体媒质中的悬浮粒子、液体中的小气泡、固体媒质中的颗粒状结构缺陷、掺杂物等），则一部分超声波将被散射开来，不再沿原来方向前进，仅有余下的一部分是沿原方向继续前进的，这样就形成了散射衰减，而固体颗粒、悬浮物等散射物质本身又成为声源，又会向所有方向辐射声能，超声工业测量技术中最常遇到的散射衰减情况是由大量的尺寸远小于波长的散射粒子所引起的，通常可认为散射衰减系数与频率的四次方成正比。 因此，超声波在水中传播时会不断衰减，甚至会被噪声淹没。在设计过程中必须充分考虑以上两大因素，采取相应的措施确保超声波流量计的实现。
2.2.2 超声波换能器的结构及原理
超声波的发射和接收，需要一种电-声之间的能量转换装置，这就是换能器。超声换能器，也即超声传感器，是超声波流量计中的重要组成部分。通常所说的超声换能器一般是指电声换能器，它是一种既可以把电能转化为声能、又可以把声能转化为电能的器件或装置。换能器处在发射状态时，将电能转换为机械能，再将机械能转换为声能；反之，当换能器处在接收状态时，将声能转换为机械能，再转换为电能。超声换能器通常都有一个电的储能元件和一个机械振动系统。人们为研究和应用超声波，己发明设计并制成了许多类型的超声波发生器，目前使用较多的是压电型超声波发生器，而压电材料有单晶体的、多晶体复合的，如石英单晶体，钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅压电陶瓷复合晶体(PZT)、PVDF
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等。
压电型超声波换能器是借助压电晶体的谐振来工作的，即晶体的压电效应和 逆压电效应。其结构原理如图3所示：
图3超声波换能器结构原理图
超声波换能器是一个超声频电子振荡器，当把振荡器产生的超声频电压加到 超声换能器的压电晶体上时，压电晶体组件就在电场作用下产生纵运动。压电组 件振荡时，仿佛是一个小活塞，其振幅很小，约为(1～10) m ，但这种振动的加速度很大，约(10～10 3 ) g，这样就可以把电磁振荡能量转化为机械振动量，若这种能量沿一定方向传播出去，就形成超声波。当在超声换能器的两电极施加脉冲信号时，压电晶片就会发生共振，并带动谐振子振动，并推动周围介质振动，从而产生超声波。相反，电极间未加电压，则当共振板接收到回波信号时，由逆压电效应，将压迫两压电晶片振动，从而将机械能转换为电信号，此时的传感器就成了超声波接收器。
通常压电型超声波换能器可以等效地看作一个电压源和一个电容器的串联电 路，如图 4（a）所示，也可以等效为一个电流源和一个电容器地并联电路，如图4（b）所示。
如果用导线将压电换能器和测量仪器连接时，则应考虑连接导线地等效电容、等效电阻、前置放大器地输入电阻、输入电容。图5是压电换能器的完整等效电路（电流等效电路图）。
图4 压电超声换能器等效电路图
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图5 压电换能器的完整等效电路
Ca——换能器的电容 Ci——前置放大器输入电容
Cc——连接导线对地电容 Ri——前置放大器的输入电阻 Ra——包括连接导线在内的换能器绝缘电阻
由等效电路来看，压电换能器的绝缘电阻Ra与前置放大器的输入电阻Ri相并联，为保证换能器和测试系统有一定的低频响应，就要求压电换能器的绝缘电阻应保持在10 13Ω以上，这样才能使内部电荷泄漏减少到满足一般测试精度的要求；与此相适应，测试系统应有较大的时间常数，亦即前置放大器要有相当高的输入阻抗，否则换能器的信号电荷将通过输入电路泄漏，即产生测量误差。 超声换能器有许多不同的结构，可分为直探头（纵波）、斜探头（横波）、表面波探头（表面波）、兰姆波探头（兰姆波）、双探头等。根据压电晶片的大小，如直径和厚度的不同，每个探头的性能是不同的，其主要性能指标包括： （1）工作频率 f 0 ：大多工作频率选在换能器的机械共振频率（即压电晶片的共振频率）附近。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。
（2）机电耦合系数 Kt ：超声波换能器的机械能和电磁能相互转换过程，就是机电耦合过程。最早给出定义的梅森将机电耦合系数定义为 Kt?贮存的机械能量
从电源取得的总能量 但是，定义机电耦合系数的公式很多而且各部协调。此外，压电元件的机械能与它的形状和振动方式有关。因此不同形状和振动方式所对应的机电耦合系数也不同。机电耦合系数为无量纲单位。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。
（3）换能器的机械品质因数Qm:Qm是从电学中应用到机械振动系统中来的一个重要物理量，它与标称宽带?f???密切相关，即与换能器的机电耦合系数密切2?30，在空气中Qm?200。
相关，而且与所在介质的辐射阻抗、换能器结构、材料及损耗密切相关。例如，同一只压电换能器，在水中的Qm?（4）换能器的阻抗特性：根据换能器的等效机电六端网络图，每一端具有一定 的特性阻抗。所以，一方面换能器与发射电路（或接收电路）末级电阻应该匹配；另一方面换能器应该与辐射声负载（或接收声负载）匹配。
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（5）换能器的方向特性：一个发射或接收声波换能器，其尺寸和所在介质中的 声波波长可相比拟时，它发射声能是集中在某些方向上的，即具有一定的扩散角
?。
??sin?11.22?D
式中，?为超声波波长，D为换能器直径，所以频率越高，扩散角越小。但是，超声波在传播过程中，散射衰减系数和吸收衰减系数分别与频率的4次方和 2次方成正比，因此超声波的频率不能太高。
(6) 换能器的频率特性：所谓频率特性就是换能器的主要参数，如功率、声压、阻抗和灵敏度等随频率变化的特性。在接收换能器中宽频带可获得窄脉冲、短余振时间波形，获得极高的纵向分辨率。
为了提高探头发射超声波的效率，常在晶片背面装上阻尼块以增大晶片的振动阻尼，并吸收晶片背面发出的超声波；同时，为了保证声能损失小、方向性强，必须把压电材料封装在声楔中，声楔应具有良好的透声性能，常用有机玻璃制成。
在一般工业领域，通常接收和发射的传感器使用完全相同的材料，做成完全 一样的结构，可以互换使用或进行双向收发[15]，这样不仅可以降低成本，而且在 一定程度上减小了测量误差。
2.2.3 超声波换能器的驱动信号对其工作特性的影响
任何一个换能器都有其中心频率，要使换能器工作在最佳状态，其驱动信号 频率应与换能器的中心频率一致。一般可采用单脉冲信号及连续脉冲信号作为换能器的驱动信号，驱动信号的主要性能参数为脉冲宽度与脉冲幅度，这两个参数对于缩小盲区，提高探测精度有重要意义。无论什么驱动信号，在换能器正确安装的前提下，脉冲宽度的大小与换能器频率之间存在着一最佳关系式，当脉冲宽度满足该关系式时，可使换能器输出的信噪比最高。
当脉冲为单脉冲信号时，由于检测系统的测量周期往往远大于脉冲宽度，因此，我们可以认为前后两个测量周期之间的驱动信号相互之间没有影响，从而可以仅仅对单一脉冲信号进行分析。对图6(a)所示脉冲信号进行频谱分析，其幅频特性如图2-5(b)所示。假设脉冲的宽度为2a，其直流成分的幅值最大，然后幅 值慢慢减小至零，接下来幅度的峰值分别处于(2n+1)/2a处(n=1,2,3?),且随着 n的增大，峰值逐渐减小至零。为了使传感器的输出特性最佳，所发送的脉冲信号 应该在传感器的中心频率处信号最强；但另一方面脉冲宽度不能太大，否则会给
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接收换能器带来很大的干扰，使接收电路识别不出接收信号是否为真实信号，因此可以考虑将中心频率对应的角频率取在偏离直流信号一定角频率的第一个峰值
3?2a处。于是又下面的公式成立：
为换能器中心频率，a为脉冲信号宽度。
2?f0?3?2a 式中，f0
图6 脉冲信号及其幅频特性
2.3 时差法超声波流量计的基本原理
时差法超声波流量计就是利用声波在流体中顺流、逆流传播相同距离时存在时间差，而传播时间的差异与被测流体的流动速度有关系，因此测出时间的差异就可以得出流体的流速，也就可以计算出流体的流量。其基本原理如图7所示。超声换能器 A、B 是一对可轮流发射或接收超声脉冲的换能器，其安装方式采用管外夹装式。
设超声波信号在被测流体中的声速为 C，超声波顺流时从A到B的时间为t1，逆流时从B到A的时间是t2，由于换能器布置在管外，超声波在换能器和
图7 时差法工作原理图
管壁中传播需要时间，而且电路也有延迟，这三种传播时间总称为延迟时间?0，
?0远小于超声波在流体中的传播时间，则有：
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