Ультразвуковой преобразователь (Rl,mjg[frtkfkw hjykQjg[kfgmyl,)

Ультразвуковой преобразователь с линейной решёткой для использования в медицинской ультрасонографии.

Внутренняя конструкция ультразвукового датчика с изогнутой матрицей Philips C5-2, состоящего из 128 элементов.

Ультразвуковы́е преобразова́тели и ультразвуковы́е да́тчики — это устройства, которые генерируют или воспринимают ультразвуковую энергию. Их можно разделить на три большие категории: передатчики, приёмники и трансиверы. Передатчики преобразуют электрические сигналы в ультразвук, приёмники преобразуют ультразвук в электрические сигналы, а трансиверы могут как передавать, так и принимать ультразвук.

Приложения и производительность

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 (заданный диапазон) до поверхности жидкости. Другие области применения включают: увлажнители, гидролокаторы, медицинское УЗИ, охранную сигнализацию и неразрушающий контроль.

В системах обычно используется преобразователь, генерирующий звуковые волны в ультразвуковом диапазоне выше 18 кГц, превращая электрическую энергию в звук, а затем, получив эхо, превращать звуковые волны в электрическую энергию, которую можно измерить и отобразить тем или иным способом.

Эта технология также может обнаруживать приближающиеся объекты и отслеживать их положение.

Ультразвук также можно использовать для измерения расстояний между точками путём передачи и приёма дискретных импульсов ультразвука между датчиками. Этот метод известен как сономометрия, при котором 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 путём 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.

Датчики

Звуковое поле нефокусирующего объектива 4 МГц-го Ультразвукового преобразователя с длиной ближнего поля N = 67 мм в воде. График показывает звуковое давление в логарифмическом масштабе дБ.

Поле звукового давления такого же ультразвукового преобразователя (4 МГц, N = 67 мм) с поверхностью преобразователя, имеющей сферическую кривизну с радиусом кривизны R = 30 мм

Ультразвуковые преобразователи преобразуют переменный ток (AC) в ультразвук и наоборот. В преобразователях обычно используются пьезоэлектрические преобразователи или ёмкостные преобразователи для генерации или приёма ультразвука. Пьезоэлектрические кристаллы способны менять свои размеры и форму в зависимости от приложенного напряжения. С другой стороны, ёмкостные 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 приёмники, в то время как другие сочетают обе функции в одном пьезоэлектрическом приёмопередатчике.

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 («электретный») 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 ёмкость между диафрагмой и близко расположенной опорной пластиной (CMUT) или путём 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).

Ультразвуковые преобразователи также используются в акустической левитации.

Использование для зондирования глубины

Схема, показывающая основной принцип работы эхолота.

Он предполагает передачу акустических волн в воду и регистрацию временного интервала между испусканием и возвратом импульса; полученное время распространения (отклика) 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 построения карт. Расстояние измеряется путём 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 прецизионных приложений эхолотирования, таких как гидрография, скорость звука также обычно необходимо измерять путём помещения в воду зонда скорости звука. Эхолотирование – это, по сути, специальное применение гидролокатора, используемое для определения местоположения дна. Первый практический глубиномер был изобретён Гербертом Гроувом Дорси^[1] и запатентован в 1928 году.

Использование в медицине

3D-УЗИ.

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.

По сравнению с другими методами медицинской визуализации ультразвук имеет ряд преимуществ. Он предоставляет изображения в режиме реального времени, является портативным и, следовательно, может быть поднесён 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, 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.

Использование в промышленности

Ультразвуковые дальномеры как электронный компонент.

Ультразвуковой датчик парковки (круглый), установленный на бампер автомобиля.

Информационно-развлекательный экран автомобиля, показывающий препятствия, обнаруженные датчиком.

Ультразвуковые датчики могут обнаруживать движение целей и измерять расстояние до них на многих автоматизированных заводах и перерабатывающих предприятиях. Датчики могут иметь цифровой выход 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.

Поскольку ультразвуковые датчики для обнаружения используют звук, а не свет, они работают там, где фотоэлектрические датчики не могут быть применены. 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 надёжно 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 прикреплён к кастрюле из нержавеющей стали, наполненной растворителем (часто водой или изопропанолом). На преобразователь подаётся 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 оружия.

При ультразвуковой сварке и ультразвуковой распайке выводов 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.

Дальнейшее чтение

• Эскола, Александр; Планас, Сантьяго; Роселл, Джоан Рамон; Помар, Хесус; Кэмп, Ферран; Соланельес, Франческ; Грасия, Фелип; Льоренс, Хорди; 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. ЧВК 3231637.PMID 22163749ПМИД 22163749.