Ультразвуковые преобразователи и ультразвуковые датчики — это устройства, которые генерируют или воспринимают ультразвуковую энергию. Их можно разделить на три основные категории: передатчики, приемники и трансиверы. Передатчики преобразуют электрические сигналы в ультразвук , приемники преобразуют ультразвук в электрические сигналы, а трансиверы могут как передавать, так и принимать ультразвук. [1]
Ультразвук можно использовать для измерения скорости и направления ветра ( анемометр ), уровня жидкости в резервуаре или канале, а также скорости в воздухе или воде. Для измерения скорости или направления устройство использует несколько детекторов и вычисляет скорость из относительных расстояний до частиц в воздухе или воде. Для измерения уровня жидкости в резервуаре или канале , а также уровня моря ( приливомер ), датчик измеряет расстояние ( дальномер ) до поверхности жидкости. Другие области применения включают: увлажнители , гидролокаторы , медицинское УЗИ , охранную сигнализацию и неразрушающий контроль .
Системы обычно используют преобразователь, который генерирует звуковые волны в ультразвуковом диапазоне, выше 20 кГц, путем преобразования электрической энергии в звук, а затем, получив эхо, преобразует звуковые волны в электрическую энергию, которую можно измерить и отобразить.
Эта технология также может обнаруживать приближающиеся объекты и отслеживать их местоположение. [2]
Ультразвук также может использоваться для измерения расстояния от точки до точки путем передачи и приема дискретных импульсов ультразвука между преобразователями. Этот метод известен как сономикрометрия , где время прохождения ультразвукового сигнала измеряется электронным способом (т. е. в цифровом виде) и математически преобразуется в расстояние между преобразователями, предполагая, что скорость звука в среде между преобразователями известна. Этот метод может быть очень точным с точки зрения временного и пространственного разрешения, поскольку измерение времени пролета может быть получено путем отслеживания той же падающей (полученной) формы волны либо по опорному уровню, либо по нулевому пересечению. Это позволяет разрешению измерения намного превышать длину волны звуковой частоты, генерируемой преобразователями. [1]
Ультразвуковые преобразователи преобразуют переменный ток (AC) в ультразвук и наоборот. Обычно преобразователи используют пьезоэлектрические преобразователи [3] или емкостные преобразователи для генерации или приема ультразвука. [4] Пьезоэлектрические кристаллы способны изменять свои размеры и форму в ответ на приложенное напряжение . [3] С другой стороны, емкостные преобразователи используют электростатические поля между проводящей диафрагмой и опорной пластиной.
Диаграмма направленности преобразователя может быть определена активной площадью и формой преобразователя, длиной волны ультразвука и скоростью звука в среде распространения. На диаграммах показаны звуковые поля нефокусированного и фокусирующего ультразвукового преобразователя в воде, явно на разных уровнях энергии.
Поскольку пьезоэлектрические материалы генерируют напряжение при приложении к ним силы, они также могут работать как ультразвуковые детекторы. Некоторые системы используют отдельные передатчики и приемники, в то время как другие объединяют обе функции в одном пьезоэлектрическом приемопередатчике.
Ультразвуковые передатчики также могут использовать непьезоэлектрические принципы, такие как магнитострикция. Материалы с этим свойством слегка изменяют размер под воздействием магнитного поля и делают их практичными преобразователями.
Конденсаторный («конденсаторный») микрофон имеет тонкую диафрагму, которая реагирует на ультразвуковые волны. Изменения в электрическом поле между диафрагмой и близко расположенной опорной пластиной преобразуют звуковые сигналы в электрические токи, которые можно усилить.
Принцип диафрагмы (или мембраны) также используется в относительно новых микромашинных ультразвуковых преобразователях (MUT). Эти устройства изготавливаются с использованием технологии микромашинной обработки кремния ( технология MEMS ), которая особенно полезна для изготовления массивов преобразователей. Вибрация диафрагмы может быть измерена или вызвана электронным способом с использованием емкости между диафрагмой и близко расположенной опорной пластиной ( CMUT ) или путем добавления тонкого слоя пьезоэлектрического материала на диафрагму ( PMUT ). В качестве альтернативы недавние исследования показали, что вибрация диафрагмы может быть измерена с помощью крошечного оптического кольцевого резонатора, встроенного в диафрагму (OMUS). [5] [6]
Ультразвуковые преобразователи также могут использоваться для акустической левитации . [7]
Он включает в себя передачу акустических волн в воду и запись временного интервала между излучением и возвращением импульса; полученное время пролета , наряду со знанием скорости звука в воде, позволяет определить расстояние между сонаром и целью. Затем эта информация обычно используется в целях навигации или для получения глубин для составления карт . Расстояние измеряется путем умножения половины времени от исходящего импульса сигнала до его возвращения на скорость звука в воде , которая составляет приблизительно 1,5 километра в секунду [T÷2×(4700 футов в секунду или 1,5 кил в секунду)] Для точных применений эхолотирования, таких как гидрография , скорость звука также должна быть измерена, как правило, путем развертывания зонда скорости звука в воде. Эхолотирование фактически является специальным применением сонара, используемым для определения дна. Поскольку традиционной досистемной единицей измерения глубины воды была сажень , прибор, используемый для определения глубины воды, иногда называют эхолотом . Первый практический эхолот был изобретен Гербертом Гроувом Дорси и запатентован в 1928 году. [8]
Медицинские ультразвуковые преобразователи (зонды) бывают разных форм и размеров для использования при создании поперечных изображений различных частей тела. Преобразователь может использоваться в контакте с кожей, как при ультразвуковой визуализации плода, или вставляться в отверстие тела , такое как прямая кишка или влагалище . Клиницисты, которые выполняют процедуры под контролем УЗИ, часто используют систему позиционирования зонда для удержания ультразвукового преобразователя. [9]
По сравнению с другими методами медицинской визуализации ультразвук имеет несколько преимуществ. Он обеспечивает получение изображений в режиме реального времени, является портативным и, следовательно, может быть доставлен к постели больного. Он существенно дешевле других методов визуализации и не использует вредное ионизирующее излучение . К недостаткам относятся различные ограничения поля зрения, необходимость сотрудничества с пациентом, зависимость от телосложения пациента, сложность визуализации структур, скрытых костью , воздухом или газами, [примечание 1] и необходимость квалифицированного оператора, обычно с профессиональной подготовкой. Из-за этих недостатков новые носимые ультразвуковые устройства набирают популярность. Эти миниатюрные устройства непрерывно контролируют жизненно важные органы и предупреждают о появлении ранних признаков аномалии. [10] [11]
Ультразвуковые датчики могут обнаруживать движение целей и измерять расстояние до них на многих автоматизированных заводах и технологических установках . Датчики могут иметь цифровой выход для обнаружения движения объектов или аналоговый выход, пропорциональный расстоянию. Они могут определять край материала как часть системы направления полотна .
Ультразвуковые датчики широко используются в автомобилях в качестве датчиков парковки , помогающих водителю при въезде на парковочное место задним ходом. Они проходят испытания для ряда других автомобильных применений, включая ультразвуковое обнаружение людей и помощь в навигации автономных беспилотных летательных аппаратов . [ необходима цитата ]
Поскольку ультразвуковые датчики используют звук, а не свет для обнаружения, они работают в приложениях, где фотоэлектрические датчики не могут. Ультразвук — это отличное решение для обнаружения прозрачных объектов и измерения уровня жидкости, приложений, с которыми фотоэлектрические датчики сталкиваются из-за полупрозрачности цели. Кроме того, цвет цели или отражательная способность не влияют на ультразвуковые датчики, которые могут надежно работать в условиях яркого света.
Пассивные ультразвуковые датчики могут использоваться для обнаружения утечек газа или жидкости под высоким давлением или других опасных условий, которые генерируют ультразвуковой звук. В этих устройствах ультразвук от преобразователя (микрофона) преобразуется в диапазон человеческого слуха (слышимый звук = от 20 Гц до 20 кГц).
Мощные ультразвуковые излучатели используются в коммерчески доступных ультразвуковых устройствах для очистки. Ультразвуковой преобразователь прикреплен к поддону из нержавеющей стали, который заполнен растворителем (часто водой или изопропанолом ). Электрическая прямоугольная волна питает преобразователь, создавая звук в растворителе, достаточно сильный, чтобы вызвать кавитацию .
Ультразвуковая технология использовалась для различных целей очистки. Одной из них, которая набирает популярность в последнее десятилетие, является ультразвуковая очистка пистолетом.
При ультразвуковой сварке и ультразвуковой сварке проволокой пластмассы и металлы соединяются с помощью вибраций, создаваемых мощными ультразвуковыми преобразователями.
Ультразвуковой контроль также широко применяется в металлургии и машиностроении для оценки коррозии, сварных швов и дефектов материалов с использованием различных типов сканирования.
В ответ на потребность в более точном устройстве для регистрации глубины доктор Герберт Гроув Дорси, который позже присоединился к C&GS, разработал визуальное индикаторное устройство для измерения относительно коротких интервалов времени, с помощью которого можно было регистрировать мелководье и большие глубины. В 1925 году C&GS получил самый первый эхолот, разработанный и построенный компанией Submarine Signal Company.