前敘：超聲換能器的轉換效率在功率超聲應用中，是最重要的技術(shù)參數之一，由於高功率換能器不同類(lèi)型、模態(tài)、形狀、工作環(huán)境等，目前尚沒(méi)有簡(jiǎn)便而有效的檢測和評估方法，顯然對大功率超聲換能器應用、研發(fā)、工藝與結構上的改進(jìn)，帶來(lái)較大的困難。本文作了一些初淺嘗試，通過(guò)交流、探討，以便作進(jìn)一步深入工作。

1、水聲中的電導曲線(xiàn)法

    如圖1測得的電導，在激勵電壓V下，換能器所吸收電功率P =V 2 G ， 故恒壓源條件下，圖15也可看作吸收電功率P的頻響曲線(xiàn)。

在水介質(zhì)中：由圖15 吸收的電功率
                P_電= A B =W_電+ W_機+ W_聲                      （1） 
 A C = W_機 + W_聲
空氣中：              A₁ B₁ = W_1電  + W_1機              
A₁ C₁ = W_1機    (下標“1”表示空氣 )                             
由此可寫(xiě)出效率的表示式： 
η_a/e = (AC /AB) X  ( 1- A₁C₁ / AC)                （2）
只有小信號下，假定空氣和水中的機械損耗與電損耗相等，上式才能成立。實(shí)際它們與激勵信號的大小有關(guān)，故此法誤差很大，無(wú)論水聲和超聲都極少使用。
2、水聲計量中的軸向聲壓法
對於水聲換能器，只需在非空化線(xiàn)性信號狀態(tài)下，來(lái)確定換能器電聲效率，目前己將軸向聲壓法作為水聲換能器的絕對校準方法。具體可參閱國軍標³。簡(jiǎn)述如下：通過(guò)測量電流、電壓、相位計算出吸收的電功率
             P_電= V·I· COS Q
測定聲源級 SL(db) 和空間指向性 G（Q，ω）計算指向性指數 DI，利用下式
                 SL (db) = 170.8 + DI + 10 log η_a/e + 10 log P_電                 （3）            
即可求得 η_{a/e。但此法只能應用在非空化狀態(tài)，并不適用大功率超聲換能器。}   
3、超聲換能器效率測量方法--日本（老）標準
參考文獻²，第六節介紹了日本森榮司教授提出的超聲振子電聲效率測量方法，當時(shí)日本已將該法定為企標和國標，但沒(méi)有得到IEC (國際電工協(xié)會(huì ))的通過(guò)。
森榮司作了二點(diǎn)假設，其一是換能器在高功率振動(dòng)狀態(tài)下，機械損耗僅與振速的平方成正比。換能器無(wú)論在水、空氣或其他介質(zhì)中，只要振動(dòng)速度相等，則機械損耗是相等的。其二是電損耗與激勵電壓的平方成正比 。其方法如下步驟 
 ① 在空氣中： 聲輻射能為零，吸收的電功率僅消耗在W_空機和W_空電。
則  W_空 = W_空電 + W_空機                  （4）     
② 水介質(zhì)中： 換能器從電源所吸收的能量W_水消耗在電、機、聲損耗上，
                （5）  
③ 空氣中對接狀態(tài): 兩只性能相同縱振換能器在空氣中對接，施加激勵電壓后，由於對接面上的振動(dòng)頻率及推力相等，呈現靜止狀態(tài)，即W_空機、W_空聲為零，從電源吸收的能量都消耗在二只換能器介電損耗中，這就確定了瀲勵電壓V與換能器的電損耗 W_水電 之間的對應關(guān)系。己知電壓V，便知 W_水電 。
④ 通過(guò)激光或拾振器測振，在水中換能器施加激勵電壓V₁時(shí)的振速與空氣中施加激勵電壓V₂時(shí)的振速相等 (一般V₁>> V₂ )，則根據假定
               W_空機 (V₂) = W_水機 （V₁）                       （6）
由（4）（5）（6）式 可推導出輻射的聲能W_水聲（V₁)，進(jìn)而
電聲效率 ：      η _a/e  =  W_水聲（V₁) / W_水（V₁)                (7)  
該方法的巧妙之處，通過(guò)振速相等將空氣及水中機械損耗消去，電損耗通過(guò)“對接”的方式獲得電壓與電損耗的對應關(guān)系，不過(guò)“對接”限定了換能器的外形。
4、森榮司測量方法的改進(jìn)
我國林書(shū)玉教授於1999年在國外Ultrasonics⁴雜志上發(fā)表了一篇“高功率換能器超聲功率和電聲效率測量”，此文基本原理與日本“標準”近似，但在測試方法上作了改進(jìn)，除了測諧振時(shí)的有載和無(wú)載下的電功率(W_e1；W_en)，并在諧振附近非諧振點(diǎn)上測有載和無(wú)載電功率(W”_e1；W”_en)，通過(guò)推導，得到聲功率的表示式⁴
    W_聲 = W_e1- W_en-（W_e1”-W_en”）/（1 -（（V₁”)²/ (V₁)² )）       （8）       
注：W_e1、 W_en--諧振有載、無(wú)載下電功率；W_e1” W”_en非諧振有載、無(wú)載下。
上式計算聲功率中需要測定諧振和非諧振狀態(tài)下的振速比，（V_1速”)/ (V_1速)，通過(guò)多個(gè)非諧振點(diǎn)測量，再求其平均，可增加測量的精度和可信度，并減小一次讀數帶來(lái)的誤差，而且僅測量振動(dòng)速度的比值，相對筒化了測量程序和難度。
5.  探討超高功率下對超聲換能器效率的評估
評定換能器在高功率下的效率，首先測量換能器從電源(發(fā)射機)那里所吸收的視在電功率，并測其功率因素，除去“虛功”，余下為有功功率，它的一部分為輻射聲能的有用功，另一部份被機械、電損耗轉化成熱能。                                              
  借用森榮司提出的測量方法和假設，對於單一振動(dòng)模態(tài)的縱振棒是可行的，而對於多模態(tài)園管換能器¹，有二點(diǎn)區別於縱振棒，其一是多模態(tài)復合，很難在水中和空氣通過(guò)測定振速相等，來(lái)消去機械損耗，其二不能通過(guò)“對接”來(lái)求得電損耗與激勵電壓對應關(guān)糸。故需要對森榮司提出的方法作適當近似處理。
換能器(水中)施加激勵電壓V₁時(shí)，從電源吸收有功功率(己去虛功)
             W_水（V₁) = W_電（V₁) + W_機（V₁) + W_聲（V₁)                 (9)
    空氣中沒(méi)有聲能輻射，激勵電壓V₂時(shí)
                 W_空（V₂)= W_空電（V₂) + W_空機（V₂)                   (10)
假定   W_水機（V₁) = W_空機（V₂)      將(9) - (10）得到水中輻射聲能
        W_聲（V₁)= W_水（V₁) - W_空（V₂) - W_電（V₁) + W_空電（V₂)       (11)
(W_電（V₁)- W_空電（V₂)) 項，是水中、空氣中不同激勵電壓下電損耗之差，因園管無(wú)法“對接”，該項難以確定，若忽略此項，根據強場(chǎng)壓電材料介電損耗的數據，初略分析，則將效率會(huì )高估在5-8 % 左右。計算公式簡(jiǎn)化為
              η _a/e  =  ( W_水（V₁) - W_空（V₂)) / W_水（V₁)                  (12)
  目前因設備等條件的限制，尚不能從振幅相等的測量來(lái)確定V₁和V₂的對應關(guān)系，只能初略估計作出假設，譬如將250伏空氣中振動(dòng)幅度與700伏水中振動(dòng)幅度設為相等，可設定多組求其平均，將會(huì )減少評估誤差。從園管換器高功率測量中選擇一組給出在表4中。
表4 空氣、水中各激勵電壓下的有關(guān)參數

空氣中	激勵電壓	伏	200	250	300	350	400	450
	諧振頻率	KHz	20.2	20.2	20.2	20.2	20.2	20.2
	有功功率	KW	3.16	5.67	7.68	9.55	11.5	13.4
	有功阻	Ω	10.4	11.1	11.8	12.7	13.9	15.2
水中	激勵電壓	伏	500	600	700	800	900
	諧振頻率	KHz	20.1	20	19.9	19.8	19.8
	有功功率	KW	5.4	11.6	20.1	26.9	34.2
	有功阻	Ω	55.5	33.4	24.1	23.8	23.2