Ультразвуковой преобразователь

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^[1].

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^[2].

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^[1].

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^[3] или ёмкостные преобразователи для генерации или приёма ультразвука^[4]. Пьезоэлектрические кристаллы способны менять свои размеры и форму в зависимости от приложенного напряжения^[3]. 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)^[5][6].

Ультразвуковые преобразователи также используются в акустической левитации^[7].

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^[8].

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^[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 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^{[note 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

Ультразвуковые дальномеры как электронный компонент.

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

Информационно-развлекательный экран^[англ.] 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.

Уточнения

1. Именно по этой причине человек, подвергнутый ультразвуковому исследованию органов, которые могут содержать большое количество воздуха или газа, таких как желудок, кишечник и мочевой пузырь, должен соблюдать режим питания, направленный на уменьшение их количества: специальная диета и пищевые добавки для кишечника и прием негазированной воды для наполнения мочевого пузыря; иногда во время обследования может потребоваться наполнить желудок негазированной водой.

Примечания

1. Brook. Ultrasound Transducer Care and Handling Tips (амер. англ.). Ultrasound (22 июля 2020). Дата обращения: 20 февраля 2022. Архивировано 20 февраля 2022 года.
2. Carotenuto, Riccardo; Merenda, Massimo; Iero, Demetrio; Della Corte, Francesco G. (July 2019). "An Indoor Ultrasonic System for Autonomous 3-D Positioning". IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. 68 (7): 2507—2518. Bibcode:2019ITIM...68.2507C. doi:10.1109/TIM.2018.2866358. S2CID 116511976.
3. Curry, TS. Christensen's Physics of Diagnostic Radiology / TS Curry, JE Dowdey, RC Murry. — Lippincott Williams & Wilkins, 1990. — P. 328–329. — ISBN 978-0-8121-1310-5.
4. Salim, Muhammed Sabri; Abd Malek, M.F.; Heng, R.B.W.; Juni, K.M.; Sabri, Naseer (March 2012). "Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducers: Technology and Application". Journal of Medical Ultrasound (англ.). 20 (1): 8—31. doi:10.1016/j.jmu.2012.02.001. S2CID 55610382.
5. (Thesis). ISBN 978-94-6259-079-3. {{cite thesis}}: |title= пропущен или пуст (справка)
6. S.M. Leinders; W.J. Westerveld; J. Pozo; P.L.M.J. van Neer; B. Snyder; P. O'Brien; H.P. Urbach; N. de Jong; M.D. Verweij (2015). "A sensitive optical micro-machined ultrasound sensor (OMUS) based on a silicon photonic ring resonator on an acoustical membrane". Scientific Reports. 5: 14328. Bibcode:2015NatSR...514328L. doi:10.1038/srep14328. PMC 4585719. PMID 26392386.
7. Vieira, Silvio L.; Andrade, Marco A.B. (2020). "Translational and rotational resonance frequencies of a disk in a single-axis acoustic levitator". Дщд. 127 (22): 224901. Bibcode:2020JAP...127v4901V. doi:10.1063/5.0007149. S2CID 225744617.
8. Echo Sounding / Early Sound Methods  (неопр.). National Oceanic & Atmospheric Administration (NOAA). NOAA Central Library (2006). — «In answer to the need for a more accurate depth registering device, Dr. Herbert Grove Dorsey, who later joined the C&GS, devised a visual indicating device for measuring relatively short time intervals and by which shoal and deep depths could be registered. In 1925, the C&GS obtained the very first Fathometer, designed and built by the Submarine Signal Company.» Дата обращения: 8 февраля 2024. Архивировано 14 сентября 2018 года.
9. SCHNEIDER, MICHEL (1999). "Characteristics of SonoVue™". Echocardiography. 16 (s1). Wiley: 743—746. doi:10.1111/j.1540-8175.1999.tb00144.x. ISSN 0742-2822. PMID 11175217. S2CID 73314302.
10. Srivastav, A.; Bhogi, K.; Mandal, S.; Sharad, M. (Aug 2019). "An Adaptive Low-Complexity Abnormality Detection Scheme for Wearable Ultrasonography". IEEE Transactions on Circuits and Systems. 66 (8): 1466—1470. doi:10.1109/TCSII.2018.2881612. S2CID 117391787.
11. "Источник" (Press release). Архивировано 4 марта 2024. Дата обращения: 8 февраля 2024.

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.

Ссылки