Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của đầu dò sóng siêu âm

Đầu dò siêu âm có thể được sử dụng để đo sóng siêu âm dưới nước và đo khoảng cách trong không khí. Nó sử dụng lý thuyết thời gian bay (ToF), có nghĩa là chênh lệch thời gian giữa sóng siêu âm phát ra và sóng phản xạ từ vật thể, để tính khoảng cách giữa đầu dò siêu âm và vật thể. Hơn nữa, sự khác biệt về năng lượng xuyên qua của sóng siêu âm giữa một tấm đơn và nhiều tấm có thể được sử dụng để phát hiện hai tấm để xác định xem các vật thể có chồng lên nhau hay không. Nói chung, để phát hiện bằng siêu âm, đối tượng có thể được phát hiện bằng đầu dò siêu âm bất kể chất rắn, chất lỏng hay chất bột. Loại và bản chất của vật thể được phát hiện không bị ảnh hưởng bởi hình dạng, vật liệu, màu sắc, độ trong suốt, độ cứng, v.v. Do đó, đầu dò siêu âm ngày nay được sử dụng rộng rãi trong sonar dưới nước,

Cấu trúc của đầu dò siêu âm

Như trong hình 1, đầu dò siêu âm được cấu tạo bởi gốm áp điện, các lớp kết hợp âm thanh và các lớp giảm chấn. Thành phần chính của piezoceramics là Chì Zirconate Titanate (PZT) với các lớp dẫn điện được phủ trên cả hai mặt. Bằng cách sử dụng hiệu điện thế xoay chiều tần số cao, gốm áp điện có thể tạo ra dao động tần số cao do hiệu ứng áp điện nghịch đảo (biến đổi năng lượng điện thành cơ năng). Rung động tần số cao là một loại sóng âm thanh. Nếu tần số của sóng âm này lớn hơn 20 kHz thì đó là dao động siêu âm. Ngược lại, sóng siêu âm có thể được nhận bằng cách sử dụng hiệu ứng áp điện dương (năng lượng cơ học thành năng lượng điện) của gốm áp điện.

Nguyên tắc thiết kế đầu dò siêu âm

Đầu dò siêu âm có thể được chia thành bộ phát, bộ thu và bộ thu phát theo chức năng, như trong Hình 2. Ví dụ về bộ chuyển đổi hoạt động ở 40 kHz, tần số cộng hưởng (fr) của bộ phát được thiết kế ở tần số gần với tần số hoạt động của tín hiệu điện được áp dụng, như thể hiện trong Hình 3, để tối ưu hóa hiệu quả phát xạ. Ngược lại, thiết kế tần số chống cộng hưởng (fa) của các máy thu gần với tần số siêu âm thu được, như trong Hình 4, để tối ưu hóa hiệu quả thu. Tần số hoạt động của bộ thu phát được thiết kế nằm giữa tần số cộng hưởng (fr) và tần số chống cộng hưởng (fa) của bộ thu phát, như trong Hình 5. Tần số hoạt động của đầu dò càng cao thì độ phân giải càng tốt nhưng ngắn hơn phạm vi phát hiện.

Tuy nhiên, để làm cho sóng siêu âm được tạo ra được truyền một cách hiệu quả từ gốm áp điện đến vật thể hoặc chất lỏng (ví dụ, trong không khí hoặc nước), trở kháng âm giữa sứ áp điện và vật thể hoặc chất lỏng phải được khớp qua các lớp kết hợp âm. . Đặc điểm vận tốc truyền âm và trở kháng âm của các chất thông thường như sau:

Chất	Mật độ (ρ) Kg / M 3	Tốc độ âm thanh (C) m / giây	Trở kháng âm thanh (Z) 10 6 Kg / M 2 ∙ giây
Gốm áp điện	7800	4500	35,10
Nước	1000	1480	1,48
Không khí	1,22	340	0,000414
Cốc thủy tinh	2200	5500	12.10
Sơn epoxy	1200	1600	3,12
Silicone	1250	1040	1,30
Polyurethane	130	2000	2,60
Thép không gỉ	7800	5900	46.02
Nhôm	2730	6380	17.41

Ví dụ về đầu dò không khí siêu âm, trở kháng âm thanh của gốm áp điện là khoảng 35 MRayl (106 kg / m2 ∙ s), trong khi trở kháng âm thanh của không khí thấp khoảng 414 Rayl (kg / m2 ∙ s). Do đó, lớp kết hợp âm thanh trở thành một phần cần thiết của đầu dò siêu âm, được đặt giữa gốm áp điện và không khí, để trở kháng âm thanh của cả hai có thể phù hợp và năng lượng siêu âm có thể được truyền vào không khí một cách hiệu quả.

Giá trị lý tưởng của trở kháng âm thanh đối với lớp phù hợp của đầu dò không khí siêu âm là Rayl, khoảng 0,122 MRayl, nhưng rất khó tìm được vật liệu có trở kháng âm thấp hơn 1 MRayl và có bản chất bền. Hiện nay, vật liệu thường được sử dụng cho các lớp kết hợp âm thanh là một loại vật liệu tổng hợp được làm từ ma trận polyme và bột rỗng để đạt được trở kháng âm thanh thấp hơn với độ tin cậy hợp lý. Tùy thuộc vào các ứng dụng, đầu dò siêu âm có thể được sử dụng ở chế độ bắt sóng hoặc chế độ dội âm. Cần lưu ý rằng đầu dò siêu âm có đặc tính đổ chuông, vốn có. Khi người ta thiết kế đầu dò siêu âm để đo khoảng cách gần, tiếng chuông sẽ giới hạn khoảng cách phát hiện tối thiểu. Nói chung, một lớp giảm chấn được sử dụng để cho phép đầu dò siêu âm nhanh chóng trở về trạng thái tĩnh để giảm tiếng kêu của nó.

Làm thế nào để chọn đầu dò siêu âm thích hợp?

Các đặc điểm chính của đầu dò siêu âm bao gồm độ nhạy, khả năng định hướng và vùng mù, được giải thích dưới đây:

Nhạy cảm

Trước khi hiểu về độ nhạy, cần phải giới thiệu Mức áp suất âm thanh (SPL).

SPL là áp suất âm thanh hiệu dụng được đo bằng thang logarit liên quan đến giá trị tham chiếu, được định nghĩa là:

SPL = 20 * log (P / Pref); đơn vị đo là dB

Trong đó P là áp suất âm thanh, Pref là áp suất âm thanh tham chiếu tiêu chuẩn. Nói chung, Pref được định nghĩa là 0,0002 ubar (bắt nguồn từ ngưỡng nghe của con người). Tuy nhiên, để thuận tiện cho việc thể hiện hiệu suất của đầu dò, độ nhạy được sử dụng để biểu thị cường độ thu.

Đơn vị của độ nhạy thường là V / Pa hoặc mV / Pa (V: Điện áp nhận, Pa: Pascal). Cường độ phát được định nghĩa là áp suất âm thanh do micrô tụ tiêu chuẩn (SCM) thu được ở một khoảng cách nhất định sau khi nhập tín hiệu công suất và tần số cụ thể vào đầu dò siêu âm, như thể hiện trong Hình 6. Độ nhạy thu được định nghĩa là áp suất âm cố định được phát ra bởi một đầu dò siêu âm và được nhận bởi một micrô tụ tiêu chuẩn và đầu dò siêu âm song song để được thử nghiệm ở một khoảng cách nhất định, như trong Hình 7. Bên cạnh micrô tụ tiêu chuẩn, đầu dò nhận áp suất âm thanh này và sau đó chuyển nó thành điện áp tín hiệu, bằng cách so sánh hai, độ nhạy của đầu dò có thể được xác định. Vì vậy, điện áp đầu ra của máy thu có thể được sử dụng để xác định mức độ nhạy của nó. Điện áp đầu ra của máy thu càng cao thì độ nhạy càng cao và ngược lại.

Định hướng

Định hướng của đầu dò siêu âm được định nghĩa là góc mà cường độ siêu âm phân rã -3 dB tại khoảng cách cụ thể từ đầu dò so với cường độ tối đa được xác định là 0 dB theo hướng phát ra chính, như thể hiện trong Hình 8. Góc định hướng của đầu dò siêu âm bị ảnh hưởng bởi bước sóng của sóng siêu âm và kích thước của bề mặt phát ra. Tần số càng cao, bước sóng càng nhỏ và góc định hướng càng hẹp; kích thước của bề mặt phát xạ càng lớn thì góc định hướng càng nhỏ.