Ультразвук

Ультразвук. Основы теории распространения ультразвуковых волн

Ультразвук — механические колебания, находящиеся выше области частот, слышимых человеческим ухом (обычно 20 кГц). Ультразвуковые колебания перемещаются в форме волны, подобно распространению света. Однако в отличие от световых волн, которые могут распространяться в вакууме, ультразвук требует упругую среду такую как газ, жидкость или твердое тело.

К примеру Ультразвуковые Анализаторы Качества Молока (УАКМ) ←

Основные параметры ультразвука

Основными параметрами волны являются длина волны и период. Число циклов, совершенных за одну секунду, называется частотой и измеряется в Герцах (Гц). Время, требуемое, чтобы совершить полный цикл, называется периодом и измеряется в секундах. Взаимосвязь между частотой и периодом волны приведено.

Скорость звука в идеальном упругом материале при заданной температуре и давлении является постоянной. Связь между скоростью ультразвука и длиной волны следующая.

Дисперсия звука — зависимость фазовой скорости монохроматических звуковых волн от их частоты. Дисперсия скорости звука может быть обусловлена как физическими свойствами среды, так и присутствием в ней посторонних включений и наличием границ тела, в котором звуковая волна распространяется.

Разновидности ультразвуковых волн

Большинство методов ультразвукового исследования использует либо продольные, либо поперечные волны. Также существуют и другие формы распространения ультразвука, включая поверхностные волны и волны Лэмба.

Продольные ультразвуковые волны — волны, направление распространения которых совпадает с направлением смещений и скоростей частиц среды.

Поперечные ультразвуковые волны — волны, распространяющиеся в направлении, перпендикулярном к плоскости, в которой лежат направления смещений и скоростей частиц тела, то же, что и сдвиговые волны.

Поверхностные (Рэлеевские) ультразвуковые волны имеют эллиптическое движение частиц и распространяются по поверхности материала. Их скорость приблизительно составляет 90% скорости распространения поперечной волны, а их проникновение вглубь материала равно примерно одной длине волны.

Волна Лэмба — упругая волна, распространяющиеся в твёрдой пластине (слое) со свободными границами, в которой колебательное смещение частиц происходит как в направлении распространения волны, так и перпендикулярно плоскости пластины. Лэмба волны представляют собой один из типов нормальных волн в упругом волноводе — в пластине со свободными границами. Т.к. эти волны должны удовлетворять не только уравнениям теории упругости, но и граничным условиям на поверхности пластины, картина движения в них и их свойства более сложны, чем у волн в неограниченных твёрдых телах.

Интенсивность и мощность ультразвука

Интенсивность звука (сила звука) — средняя по времени энергия, переносимая звуковой волной через единичную площадку, перпендикулярную к направлению распространения волны, в единицу времени. Для периодического звука усреднение производится либо за промежуток времени большой по сравнению с периодом, либо за целое число периодов [2]. Интенсивность ультразвука — величина, которая выражает мощность акустического поля в точке.

В сферической бегущей волне интенсивность ультразвука обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника. В стоячей волне I = 0, т. е. потока звуковой энергии в среднем нет. Интенсивность ультразвука в гармонической плоской бегущей волне равна плотности энергии звуковой волны, умноженной на скорость звука. Поток звуковой энергии характеризуют так называемым вектором Умова — вектором плотности потока энергии звуковой волны, который можно представить как произведение интенсивности ультразвука на вектор волновой нормали, т. е. единичный вектор, перпендикулярный фронту волны. Если звуковое поле представляет собой суперпозицию гармонических волн различной частоты, то для вектора средней плотности потока звуковой энергии имеет место аддитивность составляющих.

Для излучателей, создающих плоскую волну, говорят об интенсивности излучения, понимая под этим удельную мощность излучателя, т. е. излучаемую мощность звука, отнесённую к единице площади излучающей поверхности.

Интенсивность звука измеряется в системе единиц СИ в Вт/м2. В ультразвуковой технике интервал изменения интенсивности ультразвука очень велик — от пороговых значений ~ 10−12 Вт/м2 до сотен кВт/м2 в фокусе ультразвуковых концентраторов.

Мощность звука — энергия, передаваемая звуковой волной через рассматриваемую поверхность в единицу времени. Различают мгновенное значение мощности ультразвука и среднее за период или за длительное время. Наибольший интерес представляет среднее значение мощности ультразвука, отнесённое к единице площади, т. н. средняя удельная мощность звука, или интенсивность звука [2].

Таблица 1 — Свойства некоторых распространенных материалов

Затухание ультразвука

Одной из основных характеристик ультразвука является его затухание. Затухание ультразвука — это уменьшение амплитуды и, следовательно, интенсивности звуковой волны по мере ее распространения. Затухание ультразвука происходит из-за ряда причин. Основными из них являются:

убывание амплитуды волны с расстоянием от источника, обусловленное формой и волновыми размерами источника;рассеяние ультразвука на неоднородностях среды, в результате чего уменьшается поток энергии в первоначальном направлении распространения;поглощение ультразвука, т. е. необратимый переход энергии звуковой волны в другие формы, в частности в тепло.

Первая из этих причин связана с тем, что по мере распространения волны от точечного или сферического источника энергия, излучаемая источником, распределяется на все увеличивающуюся поверхность волнового фронта и соответственно уменьшается поток энергии через единицу поверхности, т. е. интенсивность звука. Для сферической волны, волновая поверхность которой растёт с расстоянием r от источника как r2, амплитуда волны убывает пропорционально r -1, а для цилиндрической волны — пропорционально r -½.

Рассеяние ультразвука происходит из-за резкого изменения свойств среды — её плотности и модулей упругости — на границе неоднородностей, размеры которых сравнимы с длиной волны. В газах это могут быть, например, жидкие капли, в водной среде — пузырьки воздуха, в твёрдых телах — различные инородные включения или отдельные кристаллиты в поликристаллах и т. п. Особый интерес представляет рассеяние на хаотически распределённых в пространстве неоднородностях.

Поглощение ультразвука может быть обусловлено различными механизмами. Большую роль играет вязкость и теплопроводность среды, взаимодействие волны с различными молекулярными процессами вещества, с тепловыми колебаниями кристаллической решётки и др.

3атухание звука, обусловленное рассеянием и поглощением, описывается экспоненциальным законом убывания амплитуды с расстоянием, т. е. амплитуда пропорциональна e-δr, а интенсивность — e-2δr в отличие от степенного закона убывания амплитуды при расхождении волны, где δ - коэффициент затухания звука.

Коэффициент затухания выражают либо в децибелах на метр (дБ/м), либо в неперах на метр (Нп/м).

Для плоской волны коэффициент затухания по амплитуде с расстоянием определяется по формуле.

Коэффициент затухания от времени определяется.

Тогда связь между единицами измерения (дБ/м) и (1/м)

Коэффициент затухания выражается либо в децибелах на метр (дб/м), либо в неперах на метр (Нп/м) или что тоже самое м-1. Затухание в 1 Нп/м означает, что на расстоянии 1 м амплитуда волны уменьшается в e раз (e =2,71 — основание натуральных логарифмов или число непера).

1 Нп/м = 8,68 дБ/м

Отражение ультразвука от границы раздела сред

При падении звуковой волны на границу раздела сред, часть энергии будет отражаться в первую среду, а остальная энергия будет проходить во вторую среду. Соотношение между отраженной энергией и энергией, проходящей во вторую среду, определяется волновыми сопротивлениями первой и второй среды. При отсутствии дисперсии скорости звука волновое сопротивление не зависит от формы волны и выражается формулой.

Коэффициенты отражения и прохождения будут определяться следующим образом

Стоит отметить также, что если вторая среда акустически более «мягкая», т. е. Z1>Z2, то при отражении фаза волны изменяется на 180˚ [1].

Коэффициент пропускания энергии τ из одной среды в другую определяется отношением интенсивности волны, проходящей во вторую среду, к интенсивности падающей волны

Интерференция и дифракция ультразвуковых волн

Интерференция звука — неравномерность пространственного распределения амплитуды результирующей звуковой волны в зависимости от соотношения между фазами волн, складывающихся в той или иной точке пространства. При сложении гармонических волн одинаковой частоты результирующее пространственное распределение амплитуд образует не зависящую от времени интерференционную картину, которая соответствует изменению разности фаз составляющих волн при переходе от точки к точке. Для двух интерферирующих волн эта картина на плоскости имеет вид чередующихся полос усиления и ослабления амплитуды величины, характеризующей звуковое поле (например, звукового давления). Для двух плоских волн полосы прямолинейны с амплитудой, меняющейся поперёк полос соответственно изменению разности фаз. Важный частный случай интерференции — сложение плоской волны с её отражением от плоской границы; при этом образуется стоячая волна с плоскостями узлов и пучностей, расположенными параллельно границе.

Дифракция звука — отклонение поведения звука от законов геометрической акустики, обусловленное волновой природой звука. Результат дифракции звука — расхождение ультразвуковых пучков при удалении от излучателя или после прохождения через отверстие в экране, загибание звуковых волн в область тени позади препятствий, больших по сравнению с длиной волны, отсутствие тени позади препятствий, малых по сравнению с длиной волны, и т. п. Звуковые поля, создаваемые дифракцией исходной волны на препятствиях, помещённых в среду, на неоднородностях самой среды, а также на неровностях и неоднородностях границ среды, называются рассеянными полями. Для объектов, на которых происходит дифракция звука, больших по сравнению с длиной волны λ, степень отклонений от геометрической картины зависит от значения волнового параметра

Излучатели ультразвука

Излучатели ультразвука — устройства, применяемые для возбуждения ультразвуковых колебаний и волн в газообразных, жидких и твердых средах. Излучатели ультразвука преобразуют в энергию звукового поля энергию какого-либо другого вида.

Наибольшее распространение в качестве излучателей ультразвука получили электроакустические преобразователи. В подавляющем большинстве излучателей ультразвука этого типа, а именно в пьезоэлектрических преобразователях, магнитострикционных преобразователях, электродинамических излучателях, электромагнитных и электростатических излучателях, электрическая энергия преобразуется в энергию колебаний какого-либо твердого тела (излучающей пластинки, стержня, диафрагмы и т. п.), которое и излучает в окружающую среду акустические волны. Все перечисленные преобразователи, как правило, линейны, и, следовательно, колебания излучающей системы воспроизводят по форме возбуждающий электрический сигнал; лишь при очень больших амплитудах колебаний вблизи верхней границы динамического диапазона излучателя ультразвука могут возникнуть нелинейные искажения.

В преобразователях, предназначенных для излучения монохроматической волны, используется явление резонанса: они работают на одном из собственных колебаний механической колебательной системы, на частоту которого настраивается генератор электрических колебаний, возбуждающий преобразователь. Электроакустические преобразователи, не обладающие твердотельной излучающей системой, применяются в качестве излучателей ультразвука сравнительно редко; к ним относятся, например, излучатели ультразвука, основанные на электрическом разряде в жидкости или на электрострикции жидкости

Характеристики излучателя ультразвука

К основным характеристикам излучателей ультразвука относятся их частотный спектр, излучаемая мощность звука, направленность излучения. В случае моночастотного излучения основными характеристиками являются рабочая частота излучателя ультразвука и его частотная полоса, границы которой определяются падением излучаемой мощности в два раза по сравнению с её значением на частоте максимального излучения. Для резонансных электроакустических преобразователей рабочей частотой является собственная частота f0 преобразователя, а ширина полосы Δf определяется его добротностью Q.

Излучатели ультразвука (электроакустические преобразователи) характеризуются чувствительностью, электроакустическим коэффициентом полезного действия и собственным электрическим импедансом.

Чувствительность излучателя ультразвука — отношение звукового давления в максимуме характеристики направленности на определённом расстоянии от излучателя (чаще всего на расстоянии 1 м) к электрическому напряжению на нём или к протекающему в нём току. Эта характеристика применяется к излучателям ультразвука, используемым в системах звуковой сигнализации, в гидролокации и в других подобных устройствах. Для излучателей технологического назначения, применяемых, например, при ультразвуковых очистке, коагуляции, воздействии на химические процессы, основной характеристикой является мощность. Наряду с общей излучаемой мощностью, оцениваемой в Вт, излучатели ультразвука характеризуют удельной мощностью, т. е. средней мощностью, приходящейся на единицу площади излучающей поверхности, или усреднённой интенсивностью излучения в ближнем поле, оцениваемой в Вт/м2.

Эффективность электроакустических преобразователей, излучающих акустическую энергию в озвучиваемую среду, характеризуют величиной их электроакустического коэффициента полезного действия, представляющего собой отношение излучаемой акустической мощности к затрачиваемой электрической. В акустоэлектронике для оценки эффективности излучателей ультразвука используют так называемый коэффициент электрических потерь, равный отношению (в дБ) электрической мощности к акустической. Эффективность ультразвуковых инструментов, используемых при ультразвуковой сварке, механической обработке и тому подобное, характеризуют так называемым коэффициентом эффективности, представляющим собой отношение квадрата амплитуды колебательного смещения на рабочем конце концентратора к электрической мощности, потребляемой преобразователем. Иногда для характеристики преобразования энергии в излучателях ультразвука используют эффективный коэффициент электромеханической связи.

Звуковое поле излучателя

Звуковое поле преобразователя делят на две зоны: ближнюю зону и дальнюю зону. Ближняя зона — это район прямо перед преобразователем, где амплитуда эха проходит через серию максимумов и минимумов. Ближняя зона заканчивается на последнем максимуме, который располагается на расстоянии N от преобразователя. Известно, что расположение последнего максимума является естественным фокусом преобразователя. Дальняя зона — это район находящийся за N, где давление звукового поля постепенно уменьшается до нуля.

Характеристики звукового поля определяются конструкцией ультразвукового преобразователя. Следовательно, от его формы зависит распространение звука в исследуемой области и чувствительность датчика.

Применение ультразвука

Многообразные применения ультразвука, при которых используются различные его особенности, можно условно разбить на три направления. Первое связано с получением информации посредством ультразвуковых волн, второе — с активным воздействием на вещество и третье — с обработкой и передачей сигналов (направления перечислены в порядке их исторического становления). При каждом конкретном применении используется ультразвук определённого частотного диапазона.

Получение информации с помощью ультразвуковых методов. Ультразвуковые методы широко используются в научных исследованиях для изучения свойств и строения веществ, для выяснения проходящих в них процессов на макро- и микроуровнях. Эти методы основаны главным образом на зависимости скорости распространения и затухания акустических волн от свойств веществ и от процессов, в них происходящих.

Воздействие ультразвука на вещество. Активное воздействие ультразвука на вещество, приводящее к необратимым изменениям в нём, или воздействие ультразвука на физические процессы, влияющее на их ход, обусловлено в большинстве случаев нелинейными эффектами в звуковом поле. Такое воздействие широко используется в промышленной технологии; при этом решаемые с помощью ультразвуковой технологии задачи, а также и сам механизм ультразвукового воздействия различны для разных сред.

Обработка и передача сигналов. Ультразвуковые устройства применяются для преобразования и аналоговой обработки электрических сигналов в различных отраслях радиоэлектроники, например в радиолокации, связи, вычислительной технике, и для управления световыми сигналами в оптике и оптоэлектронике. В устройствах для управления электрическими сигналами используются следующие особенности ультразвука: малая по сравнению с электромагнитными волнами скорость распространения; малое поглощение в кристаллах и соответственно высокая добротность резонаторов

Сегодня сложно представить медицинскую диагностику без такого метода, как ультразвуковое исследование. Появившись в середине прошлого века, УЗИ-сканеры произвели настоящую революцию в медицине. Ультразвуковая диагностика продолжает активно развиваться. На смену обычной двухмерной картинке приходят новые технологии. Недавно первый отечественный УЗИ-сканер экспертного класса производства «Калугаприбор» концерна «Автоматика» представил холдинг «Швабе», отвечающий за маркетинговую стратегию и продажи этого оборудования.

О том, что такое ультразвук, как появились УЗИ-сканеры и о новейшей технологии 5D в ультразвуковом исследовании — в нашем материале.

На ультразвуковой волне

Многие помнят определение звука из школьного учебника по физике: «Звуковыми волнами или просто звуком принято называть волны, воспринимаемые человеческим ухом». Таким образом, диапазон звуковых волн лежит в пределах от 20 Гц до 20 кГц. Звуки именно такой частоты способен слышать человек. Волны с частотой менее 20 Гц называются инфразвуком, а с частотой выше 20 кГц — ультразвуком.

В то время как человеку инфразвук и ультразвук недоступны, многие живые существа вполне нормально общаются в этих частотах. Например, слон различает звук частотой от 1 Гц, а в верхнем пределе слышимости лидируют дельфины — максимум слухового восприятия у них доходит до 150 кГц. Кстати, ультразвук вполне способны уловить собаки и кошки. Собака может слышать звук до 70 кГц, а верхний порог звукового диапазона у кошек равен 30 Гц.

Если для некоторых животных ультразвук — обычный способ общения, то людям о наличии в природе «невидимых» звуковых волн лишь приходилось догадываться. Опыты в этой сфере проводил еще Леонардо да Винчи в XV веке. Но открыл ультразвук в 1794 году итальянец Ладзаро Спалланцани, доказав, что летучая мышь с заткнутыми ушами перестает ориентироваться в пространстве.

УЗИ: физические основы

В XIX веке ультразвук произвел настоящий бум в научной среде, стали проводиться первые научные опыты. Например, в 1822 году, погрузив в Женевское озеро подводный колокол, удалось вычислить скорость звука в воде, что предопределило рождение гидроакустики.

Ближе к концу века, в 1890 году, учеными Пьером и Жаком Кюри было открыто физическое явление, которое вошло в основу ультразвукового исследования. Братья Кюри обнаружили пьезоэлектрический эффект. Заключается он в том, что при механической деформации некоторых кристаллов между их поверхностями возникает электрическое напряжение.

Пьер Кюри и кварцевый пьезоэлектрометр

На основе таких пьезокерамических материалов и создается главный компонент любого УЗИ-оборудования — преобразователь, или датчик, ультразвука. На пьезоэлементы подается ток, который преобразуется в механические колебания с излучением ультразвуковых волн. Пучок ультразвуковых волн распространяется в тканях организма, часть его отражается и возвращается обратно к пьезоэлементу. Основываясь на времени прохождения волны, оценивается расстояние.

Ультразвук в медицине: от лечения артрита до диагностики

В медицине ультразвук вначале использовали как метод лечения артритов, язвенной болезни желудка, астмы. Было это в начале 30-х годов прошлого века. Считалось, что ультразвук обладает противовоспалительным, анальгезирующим, спазмолитическим действием, также усиливает проницаемость кожи. Кстати, сегодня на этом основан фонофорез — метод физиотерапии, когда вместо обычного геля для УЗИ наносится лечебное вещество, а ультразвук помогает препарату глубже проникать в ткани.

Но свое основное применение в области медицины ультразвук нашел как метод диагностики. Основателем УЗИ-диагностики считается австрийский невролог, психиатр Дьюссик. В 1947 году он рассмотрел опухоль мозга, учитывая интенсивность, с которой ультразвуковая волна проходила сквозь череп пациента.

Настоящий прорыв в развитии ультразвуковой диагностики произошел в 1949 году, когда в США был создан первый аппарат для медицинского сканирования. Это устройство мало чем напоминало современные УЗИ-сканеры. Оно представляло собой резервуар с жидкостью, в которую помещался пациент, вынужденный долгое время сидеть неподвижно, пока вокруг него передвигался сканер брюшной полости — сомаскоп. Но начало было положено. УЗИ-сканеры совершенствовались очень стремительно, и к середине 60-х годов они стали приобретать привычный вид с мануальными датчиками.

Благодаря развитию микропроцессорной технологии в течение 1980−1990-х годов качество УЗИ намного улучшилось. В это время ультразвуковую диагностику стали активно применять в различных областях медицины, оценив ее безвредность по сравнению с рентгеновскими лучами и простотой использования в сравнении с магнитно-резонансной томографией. Особо широкое применение ультразвук нашел в акушерстве и гинекологии. Уже в конце 1990-х годов во многих странах УЗИ стало стандартным исследованием, с помощью которого определяли срок беременности, выявляли пороки развития плода.

Взгляд изнутри: современные технологии в УЗИ

Сегодня отечественное здравоохранение закупает у зарубежных поставщиков порядка 3 тысяч УЗИ-сканеров в год. Дело в том, что до последнего времени такие устройства не выпускались серийно в России.

Эксперименты по применению ультразвука проводились и у нас в стране. В 1954 году в институте акустики Академии наук СССР даже появилось специализированное отделение, а в 1960-е годы был налажен выпуск отечественных УЗИ-сканеров. Но все они так и остались в статусе экспериментальных, не получили массового применения на практике, а к 1990-м годам и вовсе были замещены импортными аналогами.

В прошлом году Ростех в рамках программы импортозамещения наладил серийное производство российских УЗИ-сканеров — на мощностях, входящего в концерн «Автоматика». Они относятся к среднему и высокому классу, в них применяются новейшие технологии, такие как 3D/4D-изображение, а также эластография, то есть УЗИ с применением дополнительного фактора — давления, помогающего по характеру сокращения тканей определять патологические изменения.

Методы ультразвуковой диагностики продолжают активно развиваться. В этом году к производственной линейке Ростех добавил аппараты экспертного класса. Госкорпорация представила новинку на форуме в рамках экспозиции холдинга, который реализует маркетинговую стратегию и осуществляет продажи изделия. Это первый отечественный УЗИ-сканер экспертного класса.

Что означает определение «экспертный» в классификации УЗИ-сканеров? Основной критерий — это разрешающая способность. Здесь используются высокоплотные датчики, способные различать мельчайшие детали структур. Как упоминалось выше, каждый преобразователь имеет определенный набор пьезоэлементов. В аппаратах недорогого класса плотность этих элементов невысока. Чем больше плотность, тем более точной и достоверной будет диагностика.

Второй, не менее важный критерий — какой набор программ заложен в данном оборудовании. Для того чтобы обеспечивать высокий уровень исследования, как правило, применяют очень дорогие пакеты программного обеспечения. Это позволяет визуализировать наиболее тонкие детали, изменения структур органов, сосудов и тканей. Кстати, в программное обеспечение — российского производства.

В новом изделии не только улучшено качество получаемого изображения, но и внедрены автоматизированные методы его обработки и анализа. Так, визуальную оценку плода осуществляет программа реконструкции полупрозрачного 3D УЗИ, которая за счет усиления визуализации одновременно наружных и внутренних структур в одном реконструированном трехмерном изображении позволяет увеличить информативность и диагностическую достоверность исследования за счет повышения контрастности и подсветки внутренних структур дополняет объемное изображение морфологической информацией об объекте исследования, повышая точность диагностики. Среди других технологий новинки — программа автоматического анализа образований молочной железы. Еще одна функция изделия — фантастическая 5D Heart Color, которая реконструирует девять проекций сердца плода с одновременным отображением кровотока. Полученные данные позволяют наиболее детально оценить сердце на предмет врожденных патологий.

Таким образом, в течение нескольких десятилетий применение УЗИ в медицине претерпело огромные изменения, особенно в акушерстве: от простого измерения размеров плода до детальной оценки его кровотока и внутренних органов. То, что было технически невозможно еще совсем недавно, сегодня превращается в привычную составляющую рутинного ультразвукового исследования.

Ультразвуковые датчики. Особенности применения и выбора
При выборе ультразвукового датчика необходимо учитывать особенности окружающей среды и характер ее влияния на измерения и работоспособность измерительных приборов.
Введение.
Ультразвуковые датчики широко используются в качестве датчиков приближения (proximity), для дистанционного обнаружении различных объектов, измерения расстояний. Как правило, датчики действуют путем посылки короткого цуга ультразвуковых волн в направлении объекта обнаружения, который, отразившись от поверхности объекта, возвращается обратно. Затем, электронная схема производит расчет времени между моментом посылки сигнала и моментом приема отраженного эха. Расстояние является производной величиной от времени и скорости звука в окружающей среде.
В настоящее время на рынке представлен широкий выбор ультразвуковых датчиков в различных конструктивных исполнениях, действующих в различных акустических частотах. Палитра поведения различных акустических частот в схожих условиях окружающей среды не является одинаковой. В большинстве случаев не составит труда, руководствуясь характеристиками, данными производителем, выбрать подходящий датчик для своей задачи. Но в случаях, когда в работе устройств появляются сбои или возникают существенные ошибки в измерениях, необходимо произвести более тщательную оценку факторов влияния, таких как:
1. Изменения скорости звука в зависимости от температуры и свойств окружающей среды (в основном, воздуха), — как данные изменения влияют на точность измерений и разрешающую способность датчиков;
2. Изменения длины звуковой волны в зависимости от скорости и частоты звука, — как данные изменения влияют на точность измерений, разрешающую способность, минимальный размер объекта, минимальное и максимальное расстояние до объекта;
3. Изменения величины затухания в зависимости от частоты звука и влажности, — как данные изменения влияют на максимальное расстояние чувствительности датчиков в воздухе;
4. Изменения уровня внешних шумов в зависимости от частоты, — как данные изменения влияют на максимальное расстояние чувствительности и размеры объекта обнаружения;
5. Изменения амплитуды отраженного эха в зависимости от расстояния до объекта, размеров и геометрии поверхности, — как данные изменения влияют на расстояние чувствительности.
Ультразвуковые датчики. Особенности применения и выбора.
2. Ультразвук. Основные свойства.
Ультразвук — это звуковые колебания, не воспринимаемые человеческим слухом, частотой свыше 20кГц. Роль микрофонов и громкоговорителей в сфере ультразвука выполняют устройства, называемые трансдукторами. Большинство ультразвуковых датчиков используют один трансдуктор как для передачи, так и для приема сигналов. В датчиках приближения и измерения расстояния, предназначенных для автоматизации технологических процессов в качестве трансдукторов применяются пьезоэлектрические преобразователи (далее — пьезоэлементы) с рабочей частотой от 40 до 400кГц.
3. Скорость звука в воздухе. Зависимость от температуры.
Ультразвуковые датчики действуют по принципу эхолокации — расстояние до объекта рассчитывается на основании измерения промежутка времени между моментами посылки и приема звукового импульса и скорости звука в среде.
Для газов формула скорости звука © выглядит так:
c=√(γ k T/ m)= √(γ R T/ M)= √(γ R (t+273,15)/M), (1) где γ — показатель адиабаты: 5/3 для одноатомных газов, 7/5 для двухатомных (и для воздуха), 4/3 для многоатомных; k — постоянная Больцмана; R — универсальная газовая постоянная; T — абсолютная температура в кельвинах; t — температура в градусах Цельсия; m — молекулярная масса; M — молярная масса. По порядку величины скорость звука в газах близка к средней скорости теплового движения молекул и в приближении постоянства показателя адиабаты пропорциональна квадратному корню из абсолютной температуры.
Таблица 1.
Скорость звука в газах (0° С; 101 325 Па),
м/с
Азот 334
Аммиак 415
Ацетилен 327
Водород 1284
Воздух 331
Гелий 965
Кислород 316
Метан 430
Угарный газ 338
Углекислый газ 259
Хлор 206
Формула скорости звука в воздухе при давлении ~1атм:
c (t)=331√(1+t/273), (2)
где t — температура в градусах Цельсия.
Из зависимости видно, что скорость распространения звуковых волн снижается с понижением температуры воздуха. Большинство производителей в спецификации к ультразвуковым датчикам указывают коэффициент температурной погрешности, выраженный в % на один градус температуры. Тогда, с учетом L=ct, (3) расстояние чувствительности может быть откорректировано.
Датчики для высоких, низких температур или для расширенных температурных диапазонов оборудованы автоматической температурной коррекцией.
4. Длина звуковой волны.
Длина звуковой волны определяется из соотношения:
λ=c/f, (4)
где λ - длина волны; c — скорость звука; f — частота.
В случае, когда размер препятствий и неоднородностей в среде заметно превышает длину волны звука, распространение звука происходит по законам геометрической акустики. Если же препятствия сравнимы с длиной волны (или меньше ее), существенную роль начинает играть дифракция волн, с которой связано и рассеяние звука. Данные явления следует учитывать при выборе датчика особенно для обнаружения мелких объектов и неровностей. Например, длина волны при скорости звука 344 м/с (20оС, 1атм) для частоты:
40кГц — 8,6 мм.;
180кГц — 1,9 мм.;
400кГц — 0,86 мм.
Эквивалентна длине волны и разрешающая способность датчиков, указываемая многими производителями в спецификациях на изделия.
5. Затухание. Зависимость от частоты звука и влажности.
При распространении звука в механической среде, амплитуда звукового давления снижается в результате дифракции волн, рассеяния, поглощения, необратимого превращения энергии в другие формы. Оценка объемов абсорбционных потерь и затухания используется в определении максимальной дальности действия ультразвукового датчика. Коэффициент затухания (дБ/м) увеличивается с ростом частоты ультразвука, в то же время, для любой отдельно взятой частоты существует зависимость коэффициента затухания от влажности (воздуха). Степень влажности, при которой происходит максимальное затухание, различна для разных частот. Например, для частоты свыше 125кГц максимальное затухание происходит при относительной влажности воздуха (ОВВ) 100%, для частоты 40кГц максимальное затухание происходит при ОВВ 50%. Определить максимальный коэффициент затухания для частот от 50 до 400кГц можно, воспользовавшись оценочной формулой:
a (f)=0,066f-1,8, (5)
где a (f) — коэффициент затухания (дБ/м); f — частота ультразвука (кГц) при 20оС, 1атм, ОВВ 80%.

На графике приведены экспериментальные кривые для разных частот, показывающие зависимость коэффициента затухания от влажности воздуха.
6. Внешние шумы.
Чем выше частота звука, тем меньше влияние внешних шумов. Это связано с тем, что в окружающей среде присутствует незначительное количество высокочастотных шумов, а низкочастотные шумы быстро рассеиваются в атмосфере.
7. Влияние частоты, расстояния и среды распространения звука на амплитуду звукового давления.
Ультразвуковой датчик посылает звуковой сигнал короткими цугами. Различные датчики производят различное звуковое давление (SPL — sound pressure level). В акустике, в силу широкого динамического диапазона, звуковое давление обычно выражается в децибелах. З. д., являясь совершенно относительной величиной, отвечает соотношению: SPL=20 log (P/P0), (6) где P — фактическое давление в микропаскалях (μПа); P0 — опорное давление, принимается равным 1 μПа — минимальному уровню, воспринимаемому на расстоянии R0=30см. от датчика. Соответственно, R0 принимается как опорное расстояние.
В процессе распространения, звуковой луч радиально расширяется по мере удаления от излучателя, а амплитуда звукового давления P снижается из-за затухания и рассеивания. Тогда SPL на расстоянии R от излучателя выражается формулой:
SPL®=SPL (R0)-20 Log (R/ R0)-a (f)R, (7)
где R — фактическое расстояние от датчика; R0 — опорное расстояние; a (f) — коэффициент затухания сигнала с частотой f.
8. Амплитуда отраженного эха от плоской поверхности для различных ультразвуковых частот.
Рассмотренная в предыдущем параграфе формула (7) звукового давления справедлива для прямолинейного распространения звука в среде от одной точки к другой и может применяться для датчиков с разделенным излучателем и приемником (THRU-BEAM). Для датчиков с диффузным отражением луча от объекта (с единственным элементом, исполняющим роль излучателя и приемника), действующим по принципу эхолокации свойственны потери при отражении от среды другой (большей) плотности. Отражение звука — явление, возникающее при падении звуковой волны на границу раздела двух упругих сред и состоящее в образовании волн, распространяющихся от границы раздела в обратном направлении. Количество отраженного звука зависит от соотношения акустического сопротивления сред (Z).
Т.к. акустическое сопротивление воздуха в 1000 раз превышает сопротивление воды, а более твердых материалов — в несколько тысяч раз, ультразвуковые волны на границе раздела отражаются почти полностью. В случае прямолинейного отражения луча от плоской поверхности можно пренебречь взаимодействием звука с твердым телом и воспользоваться формулой Френеля:

V=(Z2-Z1)/(Z2+Z1)
где V — коэффициент отражения; Z2 и Z1 — акустическое сопротивление материалов.

Для границы воздух/вода коэффициент отражения V равен 0,99.
Тогда, звуковое давление отраженного эха можно выразить формулой:
SPL (2R)=V (SPL (R0)-20 Log (2R/ R0)-2a (f)R), (9)
где R — расстояние от датчика до объекта; R0 — опорное расстояние; a (f) — коэффициент затухания сигнала с частотой f; V — коэффициент отражения (~1).