Page 146 - 《应用声学》2025年第1期

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值得注意的是，阻抗特性分析中的换能器阻抗 由于单一的超声发射或接收过程涉及到换能
匹配是影响流量计性能和精度的重要因素之一，压 器的自由声场声压参数，较难测试，因此对换能器进
电换能器的等效电路及阻抗匹配电路如图3所示。 行暂态特性分析时通常是根据换能器在自发自收

᫾ઈӜᦡႃ᡹ ૱ᑟ٨኎஍ႃ᡹ 情况下输出的信号来进行讨论。通过驱动电路施加
相同的激励信号作用到这些待测换能器上，将它们
L L m
各自产生的回波信号进行形态差异比较，其差异越
C m
小，则其一致性越好。压电换能器自发自收信号波
C 
C
形如图4所示。
R 
R m
2 换能器动态性能一致性研究
2.1 DTW算法
图 3 换能器阻抗匹配电路示意图
DTW 算法是一种度量两个时间序列相似度的
Fig. 3 Impedance matching circuit diagram of
方法，采用满足一定条件的时间规整函数描述参考
transducer
模板和测试模板的时间对应关系，计算两模板匹配
换能器等效电路包含压电晶片的介质电阻R 0 、
时最小累加距离。其特点在于两个时间序列在长度
静态电容C 0 、动态电感 L m 、动态电容 C m 和包含动
不相等、时间步错位或偏移，甚至两序列呈非线性
[7] 。阻抗匹配电
态电阻及负载电阻的等效电阻 R m
关系时依然能够对比其相似程度，原理如图5 所示。
路保证了信号的完整性，确保信号的发生和传输不
变形，使换能器输出功率最大化，最终达到提高流量
计量精度的目的。
(2) 压电换能器动态特性就是换能器在脉冲信
号下的信号传输特性，可以从以下几个方面来进行：
0 5 10 15 20 25 30
1 ⃝ 当超声换能器受到电脉冲激励时，它在负载中产 30 m
生的超声波脉冲响应； 2 ⃝ 当超声换能器受到超声波 w K
25
脉冲作用时，它输出的电脉冲响应；3 ⃝ 超声换能器
20
受到驱动电路激励信号如方波、锯齿波、正弦波作
用时，换能器激发的超声脉冲经反射面折返，再由换 15
j
能器接收后的脉冲响应。 10
以上三种情况就是通常所说的超声发射、接收 w 
5
以及自发自收特性。超声换能器的这些特性不仅与 w 
0  w 
其结构和工作模式有关，还与激励信号 (发射时的  i n
电压波形以及接收时的入射声波波形)有关 [2] 。
图 5 DTW 算法原理示意图
Fig. 5 DTW algorithm schematic

压电换能器的动态性能一致性研究是将压电
换能器的输出信号看成一组随时间变化的复杂的
数据集合，即时间序列；通过计算并比较两个时间
序列之间的最短距离得出不同换能器之间电信号
波形的相似程度，常用方法如欧氏距离法、斜率距
离法等。欧氏距离法无法排除噪声信号的影响，且

图 4 换能器自发自收信号波形实测图 当两组信号非等长时，还需等长变换和分段对齐处
Fig. 4 Measured diagram of the spontaneous and 理，处理较为复杂。而 DTW 算法既可以解决处理
self-receiving signal waveform of the transducer 两个长度不一样的序列，还具有更好的耐同步和耐