Ультразвуковой преобразователь
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]
Приложения и производительность
[ редактировать ]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 20 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]
Датчики
[ редактировать ]
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 ответ на напряжение . приложенное [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 можно использовать для акустической левитации . [7]
Использование глубинного зондирования
[ редактировать ]
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 зонда скорости звука в воду . Эхолотирование – это, по сути, специальное применение гидролокатора , используемое для определения местоположения дна. Поскольку традиционной до появления системы СИ единицей глубины воды была сажень , прибор, используемый для определения глубины воды, иногда называют саженью. глубиномер . Первый практический глубиномер был изобретен Гербертом Гроувом Дорси и запатентован в 1928 году. [8]
Использование в медицине
[ редактировать ]
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, трудности с визуализацией 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]
Использование в промышленности
[ редактировать ]
Ультразвуковые датчики позволяют 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 ссылка ]
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 ультразвук от преобразователя (микрофона) преобразуется в диапазон человеческого слуха (слышимый звук = от 20 Гц до 20 кГц).
Ультразвуковые излучатели высокой мощности используются в имеющихся в продаже ультразвуковой очистки устройствах . 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.
Примечания
[ редактировать ]- ^ Именно по этой причине человек, подвергнутый ультразвуковому исследованию органов, которые могут содержать некоторое количество воздуха или газа, таких как желудок, кишечник и мочевой пузырь, должен соблюдать режим питания, предназначенный для уменьшения их количества: специальная диета и добавки для кишечника. и прием негазированной воды для наполнения мочевого пузыря; иногда во время обследования может потребоваться наполнение желудка негазированной водой.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б Брук, Карен (22 июля 2020 г.). «Советы по уходу и обращению с ультразвуковым датчиком» . Ультразвук . Проверено 20 февраля 2022 г.
- ^ Каротенуто, Риккардо; Меренда, Массимо; Иеро, Деметрио; Делла Корте, Франческо Г. (июль 2019 г.). «Внутренняя ультразвуковая система для автономного трехмерного позиционирования». Транзакции IEEE по приборостроению и измерениям . 68 (7): 2507–2518. Бибкод : 2019ITIM...68.2507C . дои : 10.1109/TIM.2018.2866358 . S2CID 116511976 .
- ^ Jump up to: а б Карри, ТС; Дауди, Дж. Э.; Марри, RC (1990). Физика диагностической радиологии Кристенсена . Липпинкотт Уильямс и Уилкинс. стр. 328–329. ISBN 978-0-8121-1310-5 . Проверено 2 февраля 2023 г.
- ^ Салим, Мухаммед Сабри; Абд Малек, МФ; Хэн, РБВ; Джуни, КМ; Сабри, Насир (март 2012 г.). «Емкостные микромашинные ультразвуковые преобразователи: технология и применение» . Журнал медицинского ультразвука . 20 (1): 8–31. дои : 10.1016/j.jmu.2012.02.001 . S2CID 55610382 .
- ^ Вестервельд, Воутер Дж (2014). Кремниевые фотонные микрокольцевые резонаторы для измерения деформации и ультразвука (доктор философии). Делфтский технологический университет. doi : 10.4233/uuid:22ccedfa-545a-4a34-bd03-64a40ede90ac . ISBN 978-94-6259-079-3 .
- ^ С.М. Лейндерс; В. Дж. Вестервельд; Дж. Посо; PLMJ ван Нир; Б. Снайдер; П. О'Брайен; HP Урбах; Н. де Йонг; Доктор медицинских наук Вервей (2015). «Чувствительный оптический микромеханический ультразвуковой датчик (ОМУС) на основе кремниевого фотонного кольцевого резонатора на акустической мембране» . Научные отчеты . 5 : 14328. Бибкод : 2015NatSR...514328L . дои : 10.1038/srep14328 . ПМЦ 4585719 . ПМИД 26392386 .
- ^ Виейра, Сильвио Л.; Андраде, Марко AB (2020). «Поступательные и вращательные резонансные частоты диска в одноосном акустическом левитаторе». Дщд . 127 (22): 224901. Бибкод : 2020JAP...127v4901V . дои : 10.1063/5.0007149 . S2CID 225744617 .
- ^ «Эхозондирование/Ранние звуковые методы» . Национальное управление океанических и атмосферных исследований (НОАА) . Центральная библиотека НОАА. 2006.
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.
- ^ ШНАЙДЕР, МИШЕЛЬ (1999). «Характеристики SonoVue™». Эхокардиография . 16 (с1). Уайли: 743–746. дои : 10.1111/j.1540-8175.1999.tb00144.x . ISSN 0742-2822 . ПМИД 11175217 . S2CID 73314302 .
- ^ Шривастав, А.; Бхоги, К.; Мандал, С.; Шарад, М. (август 2019 г.). «Адаптивная схема обнаружения отклонений низкой сложности для портативного УЗИ». Транзакции IEEE в схемах и системах . 66 (8): 1466–1470. дои : 10.1109/TCSII.2018.2881612 . S2CID 117391787 .
- ^ «Носимые ультразвуковые устройства способны совершить революцию на рынке лечения и обезболивания» (пресс-релиз). июнь 2021 г.
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Школьник Александр; Планас, Сантьяго; Роселл, Джоан Рамон; Помар, Иисус; Кэмп, Ферран; Соланельес, Франческ; Грейс, Филип; Льоренс, Джордж; Гил, Эмилио (28 февраля 2011 г.). « Работа ультразвукового датчика дальности в кронах яблонь». Датчики . 11 (3): 2459–2477. дои: 10.3390/с110302459. ISSN 1424-8220. ПМЦ 3231637. ПМИД 22163749 .