Przetwornik ultradźwiękowy - Ultrasonic transducer

Przetwornik ultradźwiękowy z matrycą liniową do użytku w ultrasonografii medycznej
Konstrukcja wewnętrzna 128-elementowego zakrzywionego czujnika ultradźwiękowego Philips C5-2.

Przetworniki ultradźwiękowe i czujniki ultradźwiękowe to urządzenia generujące lub wykrywające energię ultradźwiękową. Można je podzielić na trzy szerokie kategorie: nadajniki, odbiorniki i nadajniki-odbiorniki. Nadajniki przetwarzają sygnały elektryczne na ultradźwięki , odbiorniki przetwarzają ultradźwięki na sygnały elektryczne, a nadajniki-odbiorniki mogą zarówno przesyłać, jak i odbierać ultradźwięki.

Aplikacje i wydajność

Ultradźwięki mogą być używane do pomiaru prędkości i kierunku wiatru ( anemometr ), poziomu płynu w zbiorniku lub kanale oraz prędkości w powietrzu lub wodzie. Do pomiaru prędkości lub kierunku urządzenie wykorzystuje wiele detektorów i oblicza prędkość na podstawie względnych odległości do cząstek w powietrzu lub wodzie. Aby zmierzyć poziom cieczy w zbiorniku lub kanale , a także poziom morza ( pływomierz ), czujnik mierzy odległość ( zakres ) do powierzchni cieczy. Inne zastosowania to: nawilżacze , sonar , ultrasonografia medyczna , alarmy antywłamaniowe , badania nieniszczące i ładowanie bezprzewodowe .

Systemy zazwyczaj wykorzystują przetwornik, który generuje fale dźwiękowe w zakresie ultradźwiękowym, powyżej 18 kHz, zamieniając energię elektryczną w dźwięk, a następnie po odebraniu echa zamieniają fale dźwiękowe w energię elektryczną, którą można zmierzyć i wyświetlić.

Ta technologia również może wykrywać zbliżające się obiekty i śledzić ich pozycje.

Ultradźwięki mogą być również wykorzystywane do wykonywania pomiarów odległości z punktu do punktu poprzez przesyłanie i odbieranie dyskretnych impulsów ultradźwiękowych między przetwornikami. Ta technika jest znana jako sonomikrometria, w której czas przejścia sygnału ultradźwiękowego jest mierzony elektronicznie (tj. cyfrowo) i przekształcany matematycznie na odległość między przetwornikami przy założeniu, że znana jest prędkość dźwięku ośrodka między przetwornikami. Metoda ta może być bardzo precyzyjna pod względem rozdzielczości czasowej i przestrzennej, ponieważ pomiar czasu przelotu można uzyskać ze śledzenia tego samego padającego (odebranego) kształtu fali albo według poziomu odniesienia, albo przejścia przez zero. Dzięki temu rozdzielczość pomiaru znacznie przekracza długość fali częstotliwości dźwięku generowanego przez przetworniki.

Przetworniki

Pole dźwiękowe nieogniskującego przetwornika ultradźwiękowego 4 MHz o długości pola bliskiego N = 67 mm w wodzie. Wykres przedstawia ciśnienie akustyczne w logarytmicznej skali db.
Pole ciśnienia akustycznego tego samego przetwornika ultradźwiękowego (4 MHz, N = 67 mm) o powierzchni przetwornika o krzywiźnie sferycznej o promieniu krzywizny R = 30 mm

Przetworniki ultradźwiękowe przetwarzają prąd zmienny na ultradźwięki , a także na odwrót. Ultradźwięki, zwykle odnosi się do przetworników piezoelektrycznych lub przetworników pojemnościowych . Kryształy piezoelektryczne zmieniają rozmiar i kształt po przyłożeniu napięcia ; Napięcie przemienne powoduje, że oscylują z tą samą częstotliwością i wytwarzają dźwięk ultradźwiękowy. Przetworniki pojemnościowe wykorzystują pola elektrostatyczne pomiędzy przewodzącą membraną a płytą nośną.

Wzorzec wiązki przetwornika można określić na podstawie aktywnego obszaru i kształtu przetwornika, długości fali ultradźwiękowej oraz prędkości dźwięku ośrodka propagacji. Diagramy pokazują pola dźwiękowe nieostrego i skupiającego przetwornika ultradźwiękowego w wodzie, wyraźnie przy różnych poziomach energii.

Ponieważ materiały piezoelektryczne generują napięcie po przyłożeniu do nich siły, mogą również działać jako detektory ultradźwiękowe. Niektóre systemy wykorzystują oddzielne nadajniki i odbiorniki, podczas gdy inne łączą obie funkcje w jeden piezoelektryczny nadajnik-odbiornik.

Przetworniki ultradźwiękowe mogą również wykorzystywać zasady niepiezoelektryczne. takich jak magnetostrykcja. Materiały o tej właściwości nieznacznie zmieniają rozmiar pod wpływem pola magnetycznego i tworzą praktyczne przetworniki.

Mikrofon kondensatorowy („kondensatorowy”) ma cienką membranę, która reaguje na fale ultradźwiękowe. Zmiany w polu elektrycznym między membraną a blisko rozmieszczoną płytą nośną przekształcają sygnały dźwiękowe w prądy elektryczne, które można wzmacniać.

Zasada membrany (lub membrany) jest również stosowana w stosunkowo nowych przetwornikach ultradźwiękowych (MUT). Urządzenia te są wytwarzane przy użyciu technologii mikroobróbki krzemu (technologia MEMS ), która jest szczególnie przydatna do wytwarzania macierzy przetworników. Drgania membrany mogą być mierzone lub indukowane elektronicznie za pomocą pojemności pomiędzy membraną a blisko rozmieszczoną płytą nośną ( CMUT ) lub przez dodanie cienkiej warstwy materiału piezoelektrycznego na membranie ( PMUT ). Alternatywnie, ostatnie badania wykazały, że drgania membrany można mierzyć za pomocą małego optycznego rezonatora pierścieniowego zintegrowanego z membraną (OMUS).

Przetworniki ultradźwiękowe są również wykorzystywane w lewitacji akustycznej.

Zastosowanie w medycynie

Główny artykuł: Ultrasonografia medyczna

Medyczne przetworniki ultradźwiękowe (sondy) są dostępne w różnych kształtach i rozmiarach do stosowania w wykonywaniu przekrojowych obrazów różnych części ciała. Przetwornik może być używany w kontakcie ze skórą, jak w obrazowaniu ultrasonograficznym płodu, lub włożony do otworu ciała, takiego jak odbyt lub pochwa . Lekarze wykonujący zabiegi pod kontrolą USG często używają systemu pozycjonowania sondy do trzymania głowicy ultradźwiękowej.

Zastosowanie w przemyśle

Czujniki ultradźwiękowe mogą wykrywać ruch celów i mierzyć odległość do nich w wielu zautomatyzowanych fabrykach i zakładach przetwórczych. Czujniki mogą mieć włączone lub wyłączone wyjście cyfrowe do wykrywania ruchu obiektów lub wyjście analogowe proporcjonalne do odległości. Mogą wyczuć krawędź materiału jako część systemu prowadzenia wstęgi .

Czujniki ultradźwiękowe są szeroko stosowane w samochodach jako czujniki parkowania, które pomagają kierowcy w cofaniu na miejsca parkingowe. Są testowane pod kątem wielu innych zastosowań motoryzacyjnych, w tym ultradźwiękowego wykrywania ludzi i wspomagania autonomicznej nawigacji UAV .

Ponieważ czujniki ultradźwiękowe wykorzystują do wykrywania dźwięk, a nie światło, działają w zastosowaniach, w których czujniki fotoelektryczne mogą nie być. Ultradźwięki są doskonałym rozwiązaniem do wykrywania wyraźnych obiektów i pomiaru poziomu cieczy, aplikacji, z którymi fotoelektrycy mają problemy z powodu przezierności celu. Ponadto docelowy kolor lub współczynnik odbicia nie wpływają na czujniki ultradźwiękowe, które mogą działać niezawodnie w środowiskach o wysokim olśnieniu.

Pasywne czujniki ultradźwiękowe mogą być używane do wykrywania wycieków gazu lub cieczy pod wysokim ciśnieniem lub innych niebezpiecznych warunków, które generują dźwięk ultradźwiękowy. W tych urządzeniach dźwięk z przetwornika (mikrofonu) jest konwertowany do zakresu ludzkiego słuchu.

Emitery ultradźwiękowe dużej mocy są stosowane w dostępnych na rynku ultradźwiękowych urządzeniach czyszczących . Przetwornik ultradźwiękowy jest przymocowany do miski ze stali nierdzewnej wypełnionej rozpuszczalnikiem (często wodą lub izopropanolem ). Elektryczna fala prostokątna zasila przetwornik, wytwarzając w rozpuszczalniku dźwięk wystarczająco silny, aby spowodować kawitację .

Technologia ultradźwiękowa została wykorzystana do wielu celów czyszczenia. Jednym z nich, który zyskał przyzwoitą przyczepność w ciągu ostatniej dekady, jest ultradźwiękowe czyszczenie pistoletów.

Testy ultradźwiękowe są również szeroko stosowane w metalurgii i inżynierii do oceny korozji, spawów i wad materiałowych przy użyciu różnych rodzajów skanów.

Bibliografia

Dalsza lektura