电动式换能器机电耦合概念

对于机-电互换（可逆）的换能器都可以分成机械振动系统与电路系统两个部分，我们把换能器机械振动系统的机械能与电路系统的电能或磁能按照某种物理效应互相转换称为机电耦合。

在电路系统中包括了电源内阻Ze，换能器可动部分的电阻抗Zo黑白密度计 http://www.heibaimiduji.com （包括机械振动时产生感应电势和反电势的影响）；在机械系统中包括了力源的力阻抗Zm（例如振动膜的弹性力），换能器可动部分的力阻抗Zo’（即辐射阻抗）。

在发射声波的状态下，电源电势使电路中产生电流i，则电路上的电功率为：We=IU=I2R=i2(Zo+Ze)（这里指串联电路）。

电流i 通过Zo 在可动系统中产生一个电磁力F，在此力作用下，可动系统元件Zo’以一定速度作受迫振动，推动相邻的传声介质Zm（即负载，如空气对振动膜的力阻抗）以同一速度振动从而辐射声波，则机械功率为：Wm=F2/(Zo’+Zm)（与电路上的W=U2/R 相似）。

则力F 可与电路中的电压U 类比，因此其发射效率为：

η 发=输出机械功率Wm/输入电功率We =[F2/(Zo’+Zm)]/[i2(Zo+Ze)]在接收声波的状态下，力源（声波）以速度V 振动，力阻抗Zm 传递到相连换能器的可动部分力阻抗Zo’上，使Zo’以同一速度振动，则有机械功率：Wm=V2(Zo’+Zm)（与电路中W=i2R 相似），即V 可与电

流i 类比。

Zo’的振动在电路元件Zo 中产生感应电势E，在电路中产生电流i，换能器可动系统的电阻抗Zo，输出负载（如接收显示电路）的电阻抗Ze，仍按串联电路考虑时有电功率：We=E2/(Zo+Ze)，因此其接收效率为：η 收=输出电功率We/输入机械功率Wm =[E2/(Zo+Ze)]/[V2(Zo’+Zm)]由于整个系统的发射与接收是可逆的，对同一系统而言，其电-机转换和机-电转换两者消耗的功率应当相同，亦即效率相同，即：η 发=η 收，于是：[F2/(Zo’+Zm)]/[i2(Zo+Ze)]=[E2/(Zo+Ze)]/[V2(Zo’+Zm)]我们可以看到：F/i=E/V=K2（考虑互逆性而取平方）我们把K2 称之为机电耦合系数，其物理意义是：在任何一种机电换能器的换能过程中，无损检测资源网主要牵涉到电动势E、振动速度V、力F 和电流i 四个量，在机-电转换过程中（接收过程）为F→V→E→i，而电-机转换过程中（发射过程）则为E→i→F→V，无论哪一过程总有F/i=E/V，该值与阻抗Zo、Zo’和Zm 之值无关。

若令机械系统处于制动状态（即Zm→∞）或电路处于开路状态（Ze→∞）时，机电耦合系数则为：K2=(F/i)｜V=0=(E/V)｜i=0

这个机电耦合系数可以和电路中互感耦合的情况相类比，它反映了换能器的转换效率（但要注意不等同于换能器的效率）。机电耦合系数越大，则换能器的转换效率越高。

在实际应用中，机电耦合系数用于定量描述换能器的机电耦合，它定义为：K2=以机械能形式储存的能量/系统由电源所取得的总能量----发射状态K2=以电能或磁能形式储存的能量/系统由力源所取得的总能量----接收状态