目錄

　　超聲波換能器可用于水下聲納和空氣中的接近度測(cè)量。它使用飛行時(shí)間理論(ToF)，即發(fā)射的超聲波和來自物體的反射波之間的時(shí)間差，來計(jì)算超聲波換能器與物體之間的距離。此外，超聲波在單張和多張之間的穿透能量差異可用于雙張檢測(cè)，以確定物體是否重疊。通常，對(duì)于超聲波檢測(cè)，無論固體，液體或粉末如何，都可以通過超聲波換能器檢測(cè)物體。被檢測(cè)物體的類型和性質(zhì)不受其形狀、材料、顏色、透明度、硬度等的影響。因此，超聲波換能器如今廣泛應(yīng)用于水下聲納、停車傳感器、液位傳感器、雙饋檢測(cè)和流量計(jì)等。

　　1.超聲波換能器的結(jié)構(gòu)

　　如圖1所示，超聲換能器由壓電陶瓷、聲學(xué)匹配層和阻尼層組成。壓電陶瓷的主要成分是鈦酸鋯鉛(PZT)，兩側(cè)涂有導(dǎo)電層。通過施加高頻交變電壓，壓電陶瓷可以通過反向壓電效應(yīng)(電能到機(jī)械能的轉(zhuǎn)換)產(chǎn)生高頻振動(dòng)。高頻振動(dòng)是聲波的一種。如果該聲波的頻率大于20kHz，那就是超聲波振動(dòng)。相反，超聲波可以通過使用壓電陶瓷的正壓電效應(yīng)(機(jī)械能到電能)來接收。

圖1 超聲波換能器結(jié)構(gòu)

2.超聲波換能器的原理

　　超聲波換能器按功能可分為發(fā)射器、接收器和收發(fā)器，如圖2所示。以工作在40kHz的探頭為例，變送器的諧振頻率(fr)設(shè)計(jì)在接近所施加電信號(hào)工作頻率的頻率，如圖3所示，以優(yōu)化發(fā)射效率。相反，設(shè)計(jì)接近接收端的超聲波頻率的抗諧振頻率(fa)，如圖4所示，以優(yōu)化接收效率。收發(fā)器的工作頻率設(shè)計(jì)為介于收發(fā)器的諧振頻率(fr)和反諧振頻率(fa)之間，如圖5所示。探頭的工作頻率越高，分辨率越高，但檢測(cè)范圍越短。

　　圖2 換能器應(yīng)用示意圖

圖3 變送器設(shè)計(jì)示意圖

圖4 接收機(jī)設(shè)計(jì)示意圖

圖5 收發(fā)機(jī)設(shè)計(jì)示意圖

然而，為了使產(chǎn)生的超聲波有效地從壓電陶瓷傳輸?shù)轿矬w或流體(例如，在空氣或水中)，壓電陶瓷與物體或流體之間的聲阻抗必須通過聲學(xué)匹配層進(jìn)行匹配。常見物質(zhì)的聲速和聲阻抗特性如下：

　　換能器的必要部分，放置在壓電陶瓷和空氣之間，使兩者的聲阻抗可以匹配，超聲波能量可以有效地傳輸?shù)娇諝庵小?/p>

　　超聲波空氣換能器匹配層的理想聲阻抗值為Rair，約為0.122MRayl，但很難找到聲阻抗低于1MRayl且本質(zhì)上耐用的材料。目前，聲學(xué)匹配層常用的材料是一種由聚合物基體和空心粉末制成的復(fù)合材料，以實(shí)現(xiàn)具有合理可靠性的較低聲阻抗。根據(jù)應(yīng)用的不同，超聲波換能器可以在一發(fā)一收模式或一發(fā)一仰回波模式下使用。應(yīng)該注意的是，超聲波換能器本身就具有振鈴特性。當(dāng)人們?cè)O(shè)計(jì)用于接近測(cè)量的超聲波換能器時(shí)，振鈴限制了最小檢測(cè)距離。通常，阻尼層用于讓超聲波換能器快速恢復(fù)到其靜態(tài)狀態(tài)，以減少其振鈴。

　　3.如何選擇合適的超聲波換能器

　　超聲波換能器的主要特性包括靈敏度、方向性和盲區(qū)，解釋如下：

　　敏感性

　　在了解靈敏度之前，有必要介紹聲壓級(jí)(SPL)。

　　聲壓級(jí)是相對(duì)于參考值的對(duì)數(shù)刻度測(cè)量的有效聲壓，定義為：

　　SPL=20*log(P/預(yù)付);測(cè)量單位為dB

　　其中P是聲壓，Pref是標(biāo)準(zhǔn)參考聲壓。通常，Pref定義為0.0002ubar(源自人類聽力閾值)。但是，為了方便表示換能器的性能，使用靈敏度來表示接收強(qiáng)度。

　　靈敏度的單位通常是V/Pa或mV/Pa(V：接收電壓，Pa：帕斯卡)。發(fā)射強(qiáng)度定義為標(biāo)準(zhǔn)電容式麥克風(fēng)(S.C.M.)在向超聲波換能器輸入特定頻率和功率信號(hào)后，在一定距離處獲得的聲壓，如圖6所示。接收靈敏度被定義為由超聲波換能器發(fā)射并由標(biāo)準(zhǔn)電容式麥克風(fēng)和超聲波換能器接收的固定聲壓，以在一定距離下平行進(jìn)行測(cè)試，如圖7所示。在標(biāo)準(zhǔn)電容式麥克風(fēng)旁邊，換能器接收到這個(gè)聲壓，然后將其轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，通過比較兩者，可以確定換能器的靈敏度。因此，接收器的輸出電壓可用于確定其靈敏度水平。接收器的輸出電壓越高，靈敏度越高，反之亦然。

圖6 發(fā)射機(jī)靈敏度測(cè)試

圖7 接收機(jī)靈敏度測(cè)試

　　方向性

　　超聲波換能器的方向性定義為超聲強(qiáng)度在與換能器的特定距離處衰減的角度，相對(duì)于主發(fā)射方向上定義為零dB的最大強(qiáng)度，如圖8所示。超聲波換能器的方向性角度受超聲波波長(zhǎng)和發(fā)射表面尺寸的影響。頻率越高，波長(zhǎng)越小，方向角越窄;發(fā)射面的尺寸越大，指向性角越小。

圖8 方向性示意圖

　　盲區(qū)

　　盲區(qū)是指超聲換能器的最小檢測(cè)距離，影響盲區(qū)大小的主要因素是振鈴時(shí)間。當(dāng)換能器接收到特定頻率的電子信號(hào)時(shí)，壓電陶瓷相應(yīng)地產(chǎn)生振動(dòng)并發(fā)出超聲波，但這種振動(dòng)不會(huì)像電路一樣立即停止，它在阻尼層的幫助下逐漸趨于平靜下來，在主要振動(dòng)之后趨于靜化。主振動(dòng)結(jié)束與靜止?fàn)顟B(tài)之間的時(shí)間段稱為振鈴時(shí)間。振鈴時(shí)間會(huì)影響盲區(qū)的范圍，以收發(fā)器為例，我們利用輸入信號(hào)和反射波之間的時(shí)差來測(cè)量待檢測(cè)物體的距離。當(dāng)振鈴時(shí)間過長(zhǎng)，導(dǎo)致反射信號(hào)與振鈴時(shí)間重疊時(shí)，信號(hào)解釋將受到影響，如圖9所示。

圖9 盲區(qū)大小對(duì)信號(hào)判別示意圖