 |
|
Аналіз вибору ультразвукових датчиків.
Ультразвукові повітряні перетворювачі давно та широко застосовуються для виміру дистанції, безконтактного визначення присутності, у системах визначення зближення, системах попередження зіткнень на транспорті. У таких пристроях перетворювачем випромінюється короткий ультразвуковий імпульс у напрямку до перешкоди, яка відбиває звук (ехо) назад до перетворювача. Після приймання відбитого імпульсу електронна система вимірює час, за який він вернувся, і обчислює дистанцію до перешкоди на основі відомої швидкості поширення звуку в середовищі (повітрі).
Наявні на сучасному ринку мікроелектроніки ультразвукові перетворювачі відрізняються один від одного конструктивно-технологічними варіантами: матеріалом корпуса, приєднувальними розмірами, ступенем захисту від зовнішнього середовища, електричними характеристиками. З акустичної точки зору вони працюють на різних частотах, мають різні характеристики спрямованості. Для правильного вибору ультразвукового перетворювача в конкретному додатку крім технічних характеристик необхідно враховувати взаємозв'язки (тонкощі) акустичних характеристик середовища та перешкод, а також їх вплив на роботу перетворювача. Далі головні із цих взаємозв'язків:
• функціональна залежність швидкості звуку від температури та складу середовища (повітря) і вплив цих характеристик на точність і роздільну здатність перетворювача;
• функціональна залежність довжини звукової хвилі від швидкості звуку та частоти і її вплив на мінімальний обумовлений розмір перешкоди або мінімальну (максимальну) дистанцію до перешкоди;
• функціональна залежність загасання звуку від його частоти та від вологості повітряного середовища і їх вплив на максимальну дальність визначення перешкоди;
• функціональна залежність величини фонового шуму від частоти і його вплив на характеристики по дальності і роздільної здатності;
• характеристики спрямованості як перетворювача окремо, так і системи на його (їх) основі в цілому і їх вплив на дальність до перешкоди;
• функціональна залежність амплітуди ехо від характеристик перешкоди: дальності до неї, розміру, форми поверхні і її відбиваючій здатності.
У якості ілюстрації приведемо кілька фундаментальних залежностей, пов'язаних з поширенням звуку в повітряному середовищі. Наприклад, швидкість звуку в повітрі при температурі 0°С становить 331 м/с, у вуглекислому газі - 258 м/с. Температурна залежність швидкості звуку в повітрі наведена на рис. 2. 5 (швидкість звуку при кімнатній температурі рівна 343 м/с).
Рис. 2.5. Залежність швидкості звуку в повітрі від температури в м/с.
Ще одна основна формула - залежність довжини звукової хвилі від швидкості звуку і його частоти: λ= c/f, де λ - довжина хвилі, с - швидкість звуку в середовищі, f - частота.
Графік залежності довжини звукової хвилі в повітрі від частоти при кімнатній температурі наведений на рис. 2.6.
Рис. 2.6. Залежність довжини звукової хвилі в повітрі від частоти при кімнатній температурі.
Із графіка видно, що для перетворювача 40 кГц довжина хвилі становить приблизно 0,8 см, а для частоти 250 кГц - 0,13 см. Це пояснює, чому для точного вимірювального інструмента (наприклад, ультразвукової електронної рулетки) використовують більш високочастотні перетворювачі 120 - 250 кГц. У той же час для пристроїв, де точний вимір дистанції не потрібно, наприклад, у системах виявлення перешкод за автомобілем, застосовують перетворювачі 40 кГц. Більше того, низькочастотний перетворювач (40 кГц) має переваги для останнього випадку у зв'язку з тим, що загасання звуку із частотою 40 кГц у повітрі менше, чим для частоти 250 кГц. Ця властивість ілюструє ще одну фундаментальну залежність теорії і практики перетворювачів - залежність загасання звуку при поширенні в повітрі від частоти коливань і вологості повітря (рис. 2.7). Видно, що загасання звуку із частотою 40 кГц більш ніж в 4 рази менше, чим для частоти 250 кГц, при розрахунках на 1 фут і при всіх інших фіксованих параметрах.
Рис. 2.7. Максимальне загасання звуку в повітрі при кімнатній температурі,
фіксованої вологості для частот 40 - 250 кГц.