Ультразвуковые преобразователи и ультразвуковые датчики — это устройства, которые генерируют или воспринимают ультразвуковую энергию. Их можно разделить на три большие 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 рассчитывает скорость на основе относительных расстояний до частиц в воздухе или воде. Для измерения уровня жидкости в резервуаре или канале , а также уровня моря ( маремер ) датчик измеряет расстояние ( диапазон ) до поверхности жидкости. Другие области применения включают: увлажнители , сонар , медицинское УЗИ , охранную сигнализацию и неразрушающий контроль .
В системах обычно используется преобразователь, который генерирует звуковые волны в ультразвуковом диапазоне выше 18 кГц, превращая электрическую энергию в звук, а затем после получения эха преобразует звуковые волны в электрическую энергию, которую можно измерить и отобразить.
Эта технология также может обнаруживать приближающиеся объекты и отслеживать их положение. [2]
Ультразвук также можно использовать для измерения расстояний между точками путем передачи и приема дискретных импульсов ультразвука между датчиками. Этот метод известен как сономометрия , при которой время прохождения ультразвукового сигнала измеряется электронным способом (т.е. в цифровом формате) и математически преобразуется в расстояние между датчиками, при условии, что известна скорость звука в среде между датчиками. Этот метод может быть очень точным с точки зрения временного и пространственного разрешения, поскольку измерение времени прохождения может быть получено путем отслеживания одной и той же падающей (принятой) формы сигнала либо по опорному уровню, либо по пересечению нуля. Это позволяет разрешающей способности измерений значительно превышать длину волны звуковой частоты, генерируемой преобразователями. [1]
Ультразвуковые преобразователи преобразуют переменный ток (AC) в ультразвук и наоборот. В преобразователях обычно используются пьезоэлектрические преобразователи [3] или емкостные преобразователи для генерации или приема ультразвука. [4] Пьезоэлектрические кристаллы способны менять свои размеры и форму в зависимости от приложенного напряжения . [3] С другой стороны, емкостные преобразователи используют электростатические поля между проводящей диафрагмой и опорной пластиной.
Диаграмма луча преобразователя может определяться активной площадью и формой преобразователя, длиной волны ультразвука и скоростью звука в среде распространения. На диаграммах показаны звуковые поля несфокусированного и фокусирующего ультразвукового преобразователя в воде, явно на разных энергетических уровнях.
Поскольку пьезоэлектрические материалы генерируют напряжение при приложении к ним силы, они также могут работать как ультразвуковые детекторы. В некоторых системах используются отдельные передатчики и приемники, в то время как другие сочетают обе функции в одном пьезоэлектрическом приемопередатчике.
Ультразвуковые передатчики также могут использовать непьезоэлектрические принципы. например, магнитострикция. Материалы с этим свойством слегка меняют размер под воздействием магнитного поля и служат практичными преобразователями.
Конденсаторный («конденсаторный») микрофон имеет тонкую диафрагму, реагирующую на ультразвуковые волны. Изменения электрического поля между диафрагмой и близко расположенной опорной пластиной преобразуют звуковые сигналы в электрические токи, которые можно усиливать.
Принцип диафрагмы (или мембраны) также используется в относительно новых микромеханических ультразвуковых преобразователях (MUT). Эти устройства изготавливаются с использованием технологии микрообработки кремния ( технология MEMS ), которая особенно полезна для изготовления матриц преобразователей. Вибрацию диафрагмы можно измерить или вызвать электронным способом, используя емкость между диафрагмой и близко расположенной опорной пластиной ( CMUT ) или путем добавления тонкого слоя пьезоэлектрического материала на диафрагму ( PMUT ). Альтернативно, недавние исследования показали, что вибрацию диафрагмы можно измерить с помощью крошечного оптического кольцевого резонатора , встроенного внутри диафрагмы (OMUS). [5] [6]
Ультразвуковые преобразователи также используются в акустической левитации. [7]
Он предполагает передачу акустических волн в воду и регистрацию временного интервала между испусканием и возвратом импульса; Полученное время полета вместе со знанием скорости звука в воде позволяет определить расстояние между гидролокатором и целью. Эта информация затем обычно используется в целях навигации или для определения глубины для картографирования . Расстояние измеряется путем умножения половины времени от исходящего импульса сигнала до его возвращения на скорость звука в воде , которая составляет примерно 1,5 километра в секунду [T÷2×(4700 футов в секунду или 1,5 километра в секунду)] Для В точных приложениях эхолотирования, таких как гидрография , скорость звука также обычно необходимо измерять путем помещения в воду зонда скорости звука . Эхолотирование – это, по сути, специальное применение гидролокатора , используемое для определения местоположения дна. Поскольку традиционной единицей глубины воды до введения системы СИ была сажень , прибор, используемый для определения глубины воды, иногда называют саженцем . Первый практический глубиномер был изобретен Гербертом Гроувом Дорси и запатентован в 1928 году. [8]
Медицинские ультразвуковые преобразователи (зонды) бывают самых разных форм и размеров, которые можно использовать для получения изображений поперечного сечения различных частей тела. Датчик можно использовать при контакте с кожей, как при ультразвуковой визуализации плода, или вводить в отверстие тела , например, в прямую кишку или влагалище . Клиницисты, выполняющие процедуры под ультразвуковым контролем, часто используют систему позиционирования зонда для удержания ультразвукового преобразователя. [9]
По сравнению с другими методами медицинской визуализации ультразвук имеет ряд преимуществ. Он предоставляет изображения в режиме реального времени, является портативным и, следовательно, может быть поднесен к постели больного. Он существенно дешевле, чем другие методы визуализации, и не использует вредного ионизирующего излучения . 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 имеющего профессиональную подготовку. Из-за этих недостатков набирают популярность новые портативные ультразвуковые устройства. Эти миниатюрные устройства постоянно контролируют жизненно важные функции и предупреждают о появлении ранних признаков отклонений. [10] [11]
Ультразвуковые датчики могут обнаруживать движение целей и измерять расстояние до них на многих автоматизированных заводах и перерабатывающих предприятиях. Датчики могут иметь цифровой выход включения или выключения для обнаружения движения объектов или аналоговый выход, пропорциональный расстоянию. Они могут чувствовать край материала как часть системы управления полотном .
Ультразвуковые датчики широко используются в автомобилях в качестве датчиков парковки , помогая водителю при движении задним ходом на парковочные места. Они проходят испытания для ряда других автомобильных применений, включая ультразвуковое обнаружение людей и помощь в автономной навигации БПЛА . [ нужна цитата ]
Поскольку ультразвуковые датчики для обнаружения используют звук, а не свет, они работают там, где фотоэлектрические датчики не могут. Ультразвук — отличное решение для обнаружения прозрачных объектов и измерения уровня жидкости — приложений, с которыми фотоэлектрика не справляется из-за прозрачности объекта. 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, генерирующих ультразвуковой звук. В этих устройствах звук от преобразователя (микрофона) преобразуется в диапазон человеческого слуха.
Ультразвуковые излучатели высокой мощности используются в имеющихся в продаже устройствах ультразвуковой очистки . Ультразвуковой преобразователь прикреплен к кастрюле из нержавеющей стали, наполненной растворителем (часто водой или изопропанолом ). На преобразователь подается прямоугольная электрическая волна, создающая в растворителе звук, достаточно сильный, чтобы вызвать кавитацию .
Ультразвуковая технология использовалась для различных целей очистки. Одним из методов, получивших приличную популярность за последнее десятилетие, является ультразвуковая очистка пистолета.
При ультразвуковой сварке и ультразвуковой сварке пластмассы и металлы соединяются с помощью вибраций, создаваемых мощными ультразвуковыми преобразователями.
Ультразвуковой контроль также широко используется 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 мелководные и большие глубины.
В 1925 году C&GS получила самый первый эхолот, спроектированный и изготовленный компанией Submarine Signal Company.