Презентація на тему:
Історія винайдення радіо

Акустичні сенсори та актюатори Розділ 7

Вступ Акустика - “Звук” та його ефекти Частоти – від 0 до більше 1 ГГц Чутливість людини: 20Гц до 20 кГц Ультра звук: 20 кГц і вище Інфразвук: 0 - 20 Гц. Звук: повздовжні хвилі

Вступ З точки зору сенсингу та актюації, звукові хвилі використовуються в різних напрямках. Хвилі чутного діапазону – для сенсингу звуку (мікрофони, гідрофони, сенсори тиску) Актюацію використовують динаміки. Сонар – генерація та виявлення звуку (включаючи інфра та ультразвук) в океані Тестування матеріалу, оброблення матеріалу та в медицині.

Звукові хвилі Звукові хвилі є повздовжніми еластичними хвилями. Тиск хвилі, коли вона рухається, змінюється. Приклад: звукова хвиля, вдарившись в нашу барабанну перетинку, відштовхне або потягне барабанну перетинку і ми почуємо звук. Будь-які хвилі, в тому числі звукові, мають три фундаментальні властивості: Частота, довжина хвилі та швидкість руху

Звукові хвилі Частота f – це кількість коливань за секунду Чітко визначена для гармонічних хвиль і є кількістю циклів гармонічної хвилі (синусоїди, наприклад). Наприклад, якщо порахувати кількість гребенів в океані, що проходять через певну точку за одну секунду, то результат буде частотою хвиль.

Звукові хвилі Довжина хвилі l - довжина хвилі в межах одного циклу. Наприклад, для океанічних хвиль довжиною хвилі буде відстань між двома сусідніми гребенями. Швидкість c – швидкість з якою рухається фронт хвилі, вона є залежною від частоти. Ці три величини взаємозалежні: l = c/f

Поняття довжини хвилі

Звукові хвилі Хвилі можуть бути поперечними, повздовжніми та комбінованими. Поперечні хвилі змінюють амплітуду в напрямку, перпендикулярному до свого руху. Приклад: натягнута струна коливається перпендикулярно відносно себе. Хвиля рухається вздовж струни. Хвиля рухається від центру у всіх напрямках.

Поперечні хвилі на струні

Звукові хвилі Створення повздовжніх хвиль: Приклад: поршень в трубі Приклад: діафрагма в повітрі Наслідок: зміна об’єму спричиняє зміну тиску. Цей рух створює хвилю.

Звукові хвилі - швидкість Швидкість звукової хвилі прямопропорційна зміні об’єму та спричиненій зміні тиску. 0 – густина речовини в стані спокою, V – зміна об’єму, p – зміна тиску V – об’єм

Звукові хвилі - швидкість В газах діє наступне спрощення 0 густина газу в стані спокою, - відношення специфічних температур газу, p0 тиск газу в стані спокою Таким чином, швидкість звукової хвилі в речовині, тиск та температура є взаємозалежними

Швидкість звуку

Звукові хвилі - теорія Для гармонічної повздовжньої хвилі з частотою f: p – середній тиск, P0 амплітудний тиск k є константою. Хвиля поширюється вхдовж осі x f – кутова частота

Звукові хвилі - теорія Амплітуда хвилі: ym – максимальне переміщення частинки впродовж стискання або розтягування в хвилі. Константа k називається хвильовим числом або фазовою константою:

Звукові хвилі - теорія Хвилі переміщує енергію. Ударна хвиля (землетрус) може причинити шкоду Голосний звук може пошкодити наші вуха. Якщо хвиля переміщує енергію від одної точки до іншої, вона називається хвилею, що поширюється. Хвиля може поширюватись в безмежному просторі з або без згасання. Згасання хвилі залежить від простору Згасання зменшується з амплітудою хвилі. Згасання хвилі є експоненціальним

Звукові хвилі - теорія Стала згасання з визначеною для кожного матеріалу Амплітуда хвилі, що переміщується, змінюється за наступним рівнянням

Звукові хвилі - теорія Коли хвиля зустрічає перешкоду на своєму шляху (наприклад, стіну, зміна тиску повітря і т.д.), частина хвилі відбивається, а частина хвилі переходить в перешкоду. Відбивання та перехід хвилі відбуваються для будь-яких перешкод Відбита та передана хвилі можуть рухатись в напрямках, відмінних від оригінального. Передача спричиняє відбивання хвилі.

Відбивання, перехід та заломлення

Звукові хвилі - теорія Кут падіння хвилі рівний куту відбивання ( r= i) Передана хвиля рухається в матеріалі під кутом, що рівний: c2 – швидкість руху хвилі в матеріалі c1 – швидкість руху хвилі в початковому просторі

Звукові хвилі - теорія Відбита хвиля рухається в тому ж середовищі, що і оригінальна хвиля І може перетинатись з нею. Їхні амплітуди можуть додаватись (конструктивна інтерференція) або відніматись (деструктивна інтерференція). Ефект сітки: результуюча хвиля може мати амплітуду меншу або більшу, ніж оригінальна хвиля. Цей феномен створив ідею стоячої хвилі.

Звукові хвилі - теорія Інтерференція спричиняє деяких ділянках простору меншу амплітуду (нуль), а в інших більшу амплітуду, ніж в початкової хвилі. Це називається стоячою хвилею, тому що частини з нульовою амплітудою (називаються вузлами) зафіксовані в просторі, як точки максимуму. Це зображено на рисунку 7.5, відстань між вузлами стоячої хвилі рівна /2, а точки максимуму розміщені на відстані /4 від вузлів.

Стоячі хвилі

Стоячі хвилі Приклад стоячої хвилі: вібрування натягнутої струни Відбивання відбувається там, де струна приєднана. Це вібрування різних за довжиною хвиль.

Звукові хвилі - теорія Розсіювання – це відбивання хвиль у всіх напрямках із-за будь-чого на шляху хвилі. Дисперсія – при русі частинок з різною частотою із-за різних частот створюється викривлення отриманого звуку. Хвильовий імпеданс або звуковий імпеданс є залежить від густини та швидкості: Z = r0c

Мікрофони Мікрофони є звуковими сенсорами (насправді короткочасні сенсори тиску) Динаміки є звуковими актюаторами Перші мікрофони та динаміки (або навушники) розроблені і запатентовані для використання в телефонах. Олександр Грейам Белл запатентував перший мікрофон змінного опору в 1876

Мікрофон Белла

Графітний мікрофон Перший практичний мікрофон винайдений Едісоном Розчин був замінений графітними частинками – графітний мікрофон. Використовується в телефонах Менш корисний (шумний, обмежені частоти, залежить від позиції та викривлення) Збільшувальний прилад (може регулювати великий струм) і тому використовується в телефонах. Використовується досі, щоб подавати сигнал на навушники напряму без підсилення.

Графітний мікрофон

Графітний мікрофон

Магнітний мікрофон Better known as the moving iron microphone, together with its cousin, the moving iron gramophone pickup have largely disappeared and have been replaced by better devices. Its structure is quite common in sensors (we have seen a similar device used as a pressure sensor in chapter 6 - the variable reluctance pressure sensor). The basic structure is shown in Figure 7.10.

Магнітний мікрофон

Магнітний мікрофон Робота: ротор (кусок заліза, що рухається під впливом звуку) зменшує пролом. Це змінює магнітний опір магнітного кола. Якщо котушка живиться постійною напругою, струм в ній залежить від магнітного опору в колі. Тому струм в котушці визначає рівень звуку

Мікрофон з рухомою котушкою Відомий як динамічний мікрофон. Перший мікрофон, що може відтворювати весь діапазон людського голосу Існує в наші часи, навіть при нових, простіших приладах. Робота базується на законі Фарадея: рух котушки в магнітному полі створює ЕРС:

Динамічний мікрофон

Мікрофон з рухомою котушкою В основі такий самий, як гучномовець Будь-який малий гучномовець може працювати як динамічний мікрофон Динамічний мікрофон, так само як і мікрофон з рухомим залізом, є подвійним приладом може бути гучномовцем і мікрофоном.

Ємнісні мікрофони Також називаються конденсаторними мікрофонами Ідея є тривіально простою: Дозволити звуку рухати площину в конденсаторі Вимірюється напруга в конденсаторі

Ємнісні мікрофони Робота базується на двох рівностях: Вихідна напруга прямопропорційна до відстані d між площинами Повинно бути джерело напруги.

Електрет мікрофони Електрет: матеріал з постійним електричним полем Якщо спеціальний матеріал піддати дій зовнішнього магнітного поля, зміниться поляризація атомів всередині матеріалу. Коли зовнішнє електричне поле забрати, внутрішня поляризація утримується і утворює постійне зовнішнє електричне поле.

Електрет мікрофони Перед поляризацією електрет нагрівають, щоб збільшити енергію атомів. Коли матеріал охолонув, поляризація залишається. Матеріали, що використовуються: Тефлон Фторований Етилен Пропилен, Барій Титан (BaTi), Кальцій-Титан Оксид (CaTiO3) і багато інших. Деякі матеріали можна перетворити в електрет простим бомбардуванням.

Електрет мікрофони Електрет мікрофон є ємнісним мікрофоном Зроблений з двох електропровідних площин з шаром електрет матеріалу під верхньою площиною

Електрет мікрофони Електрет тут зроблений з тонкої плівки, що дає еластичність та можливість руху. Електрет створює розподіл зарядів ± на верхній площині та нижній металічній площині. Генерується електричне поле в проломі s1. Напруга між двома електричними площинами при відсутності зовнішньої стимуляції (звуку) :

Електрет мікрофони Якщо звук діє на діафрагму, електрет опуститься вниз на відстань s і напруга зміниться: Ця напруга є прямим виходом давача. Залежність від звукового тиску: A – це площа мембрани, T – напруженість, - температурний коефіцієнт, p0 – зовнішній тиск p – зміна тиску

Електрет мікрофони Зміна вихідної напруги, під час дії звукової хвилі: Цю напругу можна збільшити при потребі.

Електрет мікрофони Електрет мікрофони є дуже популярними Прості та недорогі Не вимагають джерела (вони є пасивними приладами). Проте, їхній імпеданс є дуже великим Спеціальні кола для під’єднання до інструментів. Зазвичай, потрібен польовий транзистор для попереднього підсилення. Мембрана, зазвичай, виготовляється з тонкої плівки з електрет матеріалу, на який наплавлено металічний шар.

Електрет мікрофони В багатьох планах, електрет мікрофони є майже ідеальними. Частота відповіді може бути від нуля до декількох МГц. Дуже мале викривлення та чудова чутливість (декілька мВ/ бар). Вони є дуже малими (деякі менше 3 мм діаметром та до 3 мм по довжині) Вони є всюди, від диктофонів до мобільних телефонів. Приклад електрет мікрофону зображено на рисунку 7.14.

Електрет мікрофони

Електрет мікрофони

П’єзоелектричний ефект П'єзоефект є генерація електричного заряду в кристалічних матеріалах при задіяні механічного навантаження. Протилежний ефект є корисним: застосування заряду через кристал є причиною механічної деформації в матеріалі. П'єзоефект виникає природно в таких матеріалах як кварц (SiO2 - оксид кремнію). Використовувався протягом багатьох десятиліть у так званих кварцових генераторах.

П’єзоелектричний ефект Це також властивість деяких керамік і полімерів. Ми вже зустрічалися з п’єзорезистивними матеріалами в розділі 5 (PZT є найбільш відомий) і полімерними п’єзорезистивними матеріали PVF і PVDF. П'єзоефект був відомий з 1880. Вперше використаний в 1917 році для детектування і генерування звукових хвиль у воді з метою виявлення підводних човнів (Sonar). П'єзоефект може бути пояснений простою моделлю деформації кристалів:

П’єзоелектричний ефект Деформація в напрямку (B) витісняє молекулярну структуру і таким чином відбувається мережеве навантаження (у Кварцовому кристалі - SiO2). Деформація по перпендикулярній осі (B) формує протилежне навантаження полярності.

П’єзоелектричний ефект Заряди можуть бути зібрані на електродах кристалу. Вимірювання заряду – це вимірювання переміщення або деформації. У моделі використовуються кварцові кристали (SiO2), але й інші матеріали ведуть себе аналогічним чином. Крім того, поведінка кристалів залежить від форми вирізу, різні види вирізу використовуються для різних застосувань.

П'єзоелектричний ефект - теорія Вектори поляризації в середині (поляризація електричного дипольного моменту атомів на одиницю обсягу матеріалу) є пов'язані з напруженість наступним чином: d - п'єзоелектрична константа, - напруженість в матеріалі.

П'єзоелектричний ефект - теорія Поляризація залежить від напрямку: x, y, z are the standard axes in the crystal. The relation above now becomes. dij are the piezoelectric coefficients along the orthogonal axes of the crystal.

П'єзоелектричний ефект - теорія Коефіцієнт залежить від форми вирізу кристалу. Для спрощення дискусії припустимо, що d є однозначною Зворотній ефект записаний як: e is strain (dimensionless), g is called the constant coefficient (e is permittivity)

П'єзоелектричний ефект - теорія П'єзоелектричні коефіцієнти пов'язані з електричною анізотропією матеріалів (діелектрична проникливість). Третій коефіцієнт називають коефіцієнтом електромеханічного зв'язку і є показником ефективності електромеханічної конверсії: E – модуль Юнга . Коефіцієнт електромеханічного зв'язку є співвідношення між електричною і механічною енергією.

Кристали - п'єзоелектричні властивості

Кераміки - п'єзоелектричні властивості

Полімери - п'єзоелектричні властивості

П'єзоелектричні пристрої П'єзоелектричний пристрій будується як простий конденсатор (ємкість C) Прикладна напруга на цьому малюнка рівна: Напруга між розвиненими це : d = thickness A = area

П'єзоелектричні пристрої Чим товщий пристрій, тим більша напруга. Більш маленька область має той же ефект. Вихід прямопропорційний силі (або тиску, який рівний сила/площа). Найпоширеніші матеріали для п'єзоелектричних пристроїв: PZT (lead-zirconite-titanium-oxide) Polymer films such as PVDF (PolyVinyliDeneFluoride). Barium Titanate (BiTiO3) in crystal or ceramic form Crystalline quartz are used for some applications. Thin films of ZnO on semiconductors

П'єзоелектричний мікрофон Застосування сили (через звуковий тиск) на поверхні (мал. 7.16) З урахуванням цієї структури і зміни тиску p, зміна напруги: A linear relation is therefore available to sense the sound pressure

П'єзоелектричний мікрофон

П'єзоелектричний мікрофон Ці пристрої можуть діяти в дуже високих частотах. Часто використовуйте в надзвукових сенсорах. П'єзоелектричний мікрофон може використовуватися як п'єзоелектричний актюатор . Подвійність є унікальною для п'єзоелектричних і магнітострикційних пристроїв. Зазвичай, той же пристрій може використовуватися в будь-якому режимі.

П'єзоелектричний мікрофон Типова конструкція складається з фільмів (PVDF або сополімерів) з металевим покриттям електродів, круглі, квадратні або будь-якої іншої форми . Особливо корисної формою є ламповий електрод зазвичай використовується в гідрофонах. Ці елементи можуть бути з'єднанні в серії, покритті більшою площею. П'єзоелектричний мікрофон має виняткові якості і рівну частотну характеристику. Використовується в різних музичних, медичних пристроях і т.д.

Інші мікрофони Стрічковий мікрофон. Котушковий мікрофон. Тонка металева фольга (алюміній) між полюсами магніту. Рухома стрічка ЕРС індуктивності по закону Фарадея. Плоскі мікрофони. Сприятливі до фонового шуму і вібрації. Іноді використовуються для студійного відтворення. Опір цих мікрофонів дуже низький менше 1 .

Film мікрофон

Акустичні актюатори Серед них ми зупинимось на 2: Класичний гучномовець, використовуваний у звуковій роботі. П'єзоелектричний актюатор. Звукові пристрої – зумери. Механічне приведення в дію обговорюватиметься пізніше в цьому розділі.

Акустичні актюатори Базова будова гучномовця Сила Лоренца, NBILC. Магнітне поле постійних магнітів.

Гучномовець з титановою діафрагмою

Гучномовці Магніти зроблені як можна сильнішими. Проміжок якомога вузькіший, що забезпечує максимальну силу потоку. Кільце обмотане ізольованим мідним дротом. Допускають при виготовленні папір або скловолокно. Діаграма або паперовий дифузор тримає котушку по центру.

Гучномовці Конус зазвичай робиться з паперу. Позвішується на ободі гучномовця, який зазвичай виробляється жорсткого типу. Дія гучномовця по суті це поширення повздовжньої хвилі.

Гучномовці Той же принцип може використовуватися, щоб проводити хвилі в рідинах або навіть в твердих тілах. Енергетичний рейтинг спікера зазвичай визначається як сила в кільці (напруга через кільце, помножене на потік в кільці) Сила випромінюється конусом. Сила розсіюється кільцем.

Гучномовці Сила що випромінюється залежить як на електричні так і механічні властивості гучномовця. Припускаючи, що безперешкодна діафрагма, сполучена з кільцем радіус r і N, заходить в магнітне поле B, акустична сила що випромінює є: Rmr = acoustic impedance (of air), Rml = total mechanical resistance seen by the diaphragm Xml = total mass reactance seen by the diaphragm

Гучномовці Це тільки надає грубу ідею сили що випромінюється. Це вказує що сила пропорційна до потоку, щільності магнітної течії і розміру. Є інші проблеми, які доведеться взяти до уваги, зокрема відображення. Гучномовці характеризуються додатковими властивостями - динамічний ряд, максимальна водотоннажність діафрагми і спотворення.

Гучномовці Дві інші властивості мають першорядну вагу. АЧХ гучномовця, Частотна характеристика Частотна характеристика зазвичай між 20Гц і 20кГц. Крім того слід зазначити, піки резонансів на 1,5 кГц, а потім менший резонанс на 3, 4 і 13 кГц. Зазвичай вони пов'язані з механічним складом гучномовця.

Частотна характеристика гучномовця

Гучномовці 20Гц – 20кГц, Пропускна спроможність – 35Гц до 12 кГц. Відзначте піки або резонанси в 1.5 кГц а потім більш маленькі резонанси в 3, 4 і 13 кГц. Зазвичай пов'язано з механічною будовою гучномовця. Це головна мета гучномовця. Інші мають відповідне в нижчих частотах (басові гучномовці) або вище (репродуктори для передачі високого тону), Зазвичай пов'язано з фізичним розміром гучномовця.

Гучномовці Спрямована дія вказує на відносну щільність енергії в різних напрямках у просторі. Мал. 7.21 показує такий сюжет на окремих частотах. Вказує, де в просторі можна очікувати більшої чи меншої потужності і загального охоплення.

Directional response

Small loudspeakers

Low frequency loudspeaker (top)

Low frequency loudspeaker (side)

Робота актюатора Робота при фіксованій котушці. Робота актюатора (Мал. 7.24) Використовувалось в навушниках. Зараз використовується як навушник у домашніх телефонах. Її основа використовується в магнітних пристроях для попередження. Бувають двох видів. Одним з них є просто котушка і мембрана, як на малюнку 7.24.

Робота навушника

Робота навушника

Робота актюатора Постійний магніт також можуть бути присутніми, як показано на попередньому пристрої. Пристрій діє як малий гучномовець, але є досить низької якості. Величина котушки зумовлює опір. Він може бути підключений без підсилювача. Однак для інших видів це недопустимо.

Робота актюатора Другий вид: У цьому відтворення звуку форма не є важлива, але скоріше, мембраною проводиться вібрування на фіксованій частоті, скажімо, 1 кГц, щоб забезпечити звукове попередження. Це може бути зроблено при русі (принципова схема на мал. 7,24) квадратної хвилі, як правило, безпосередньо з виходу мікропроцесора або через відповідні блоки (або електричні або механічні іноді). У деяких пристроях схема необхідна для коливань В даний час зумери виготовляються різних розмірів від декількох міліметрів до декількох сантиметрів в діаметрі і на різних напругах.

Магнітні зумери

П'єзоелектричні навушники і зумери П'єзоелектричні навушники: П'єзоелектричний диск фізично пов’язаний з діаграмою (мал. 7.16) Підключення до джерела напруги викличе механічний рух в диску. Застосовується тоді, коли з-за джерела змінного струму, рух диска відтворює звук. Навушник такого типу показано на малюнку 7.25 разом з п'єзоелектричним елементом. Властивості ті ж що у п'єзоелектричного мікрофона.

П'єзоелектричний наушник

П'єзоелектричний зумер Навушник може бути використаний як зумер при русі його джерела змінного струму. Ці пристрої часто бувають у використанні для включення в електронну схему. Малюнок 7.26 показує п'єзоелектричний зумер.

П'єзоелектричний зумер

П'єзоелектричні зумери П'єзоелектричний елемент складається з двох частин. Менша частина викликає локальну дію в діаграмі і взаємодія цих дій є причиною коливань. Ці зумери дуже популярні, оскільки вони використовують мало енергії і можуть працювати приблизно від 1.5В. Це є корисно в області мікропроцесорів. Вони можуть використовуватись для зворотнього зв'язку,сигнальним пристроєм і т.д.

П'єзоелектричні зумери

Ультразвукові сенсори і актюатори В принципі ідентичні акустичним сенсорам та актюаторам. Дещо відрізняються в будові. Дуже різні точки зору використовуваних матеріалів і діапазон частот. Ультразвуковий діапазон починається там, де звуковий діапазон закінчується, Тому ультразвуковий сенсор (наприклад, мікрофон) або актюатор як найближче повинен бути дуже схожий на акустичний сенсор і актюатор.

24 кГц, UT передавач і приймач

Ультразвукові сенсори і актюатори Малюнок 7.31 показує, ультразвуковий передавач (ліворуч) та ультразвукового приймача (праворуч) 24 кГц. Такого ж розміру і, по суті тієї ж конструкції. Це типово для п'єзоелектричних пристроїв, в яких точно такий же пристрій може бути використано для обох цілей. Обидва використовують ідентичні п'єзоелектричні диски. Різниця полягає лише в будові конуса.

40 кГц ультразвуковий сенсор

40 кГц ультразвуковий передавач / приймач

Ультразвукові сенсори Сфера ультразвукового зондування, дуже широка. Ультразвук краще підходить для використання в твердих тілах і рідинах. Підтримка хвилі які дозволяють додаткову ультразвукову гнучкість Повздовжні хвилі, Поверхневі хвилі Ультразвукові датчики існують практично на будь-якій частоті і понад 1 ГГц (особливо в ПАР-пристроїв). Більшість сенсорів працюють нижче 50 МГц.

Ультразвукові сенсори Більшість ультразвукових сенсорів і актюаторів побудовані з п'єзоелектричних матеріалів Деякі базуються на магнітострикційних матеріалах. Особливість п'єзоелектричних матеріалів є їхня здатність до коливань фіксованій частоті або резонансній частоті. Резонансна частота п'єзоелектричного кристала залежить від самого матеріалу, фізичних розмірів, а також від впливу температури, тиску тощо.

П'єзоелектричний резонатор Еквівалентна схема п'єзоелектричного матеріалу. Ця схема має два резонатори – паралельний і серійний резонатори (анти резонатори).

П'єзоелектричний резонатор Резонансна частота: Ємнісний показник:

П'єзоелектричний резонатор Взаємозв'язок між двома частотами: Якісний фактор п'єзоелектричного мfтеріалу:

Ультразвукові резонатори Резонанс важливий двома причинами. При резонансі амплітуда механічного спотворення висока. У режимі прийому сигнал – найбільший. Засоби сенсора найбільш ефективні при резонансі. Друга причина полягає в тому, що сенсори працюють на чітких і різних частотах. Параметри розповсюдження і відбивання чітко визначенні.

Ультразвукові резонатори Будова п'єзоелектричних сенсорів показана на малюнку 7.33. П'єзоелектричний елемент жорстко кріпиться до сенсора так ,що вібрація може передаватися і від сенсора. Об'єктив показав , що основна увага приділятиметься променю в координаційному центрі. Часто просто тонкий плоский лист на металевій поверхні сенсора, як показано тут. Опір узгоджувального ланцюга відповідного є джерелом з п'єзоелектричним елементом. Кожен сенсор зазначено для резонансної частоти (твердих тіл, рідин, повітря, суворих умовах і т.д.)

Ультразвукові сенсори - будова

Ультразвукові сенсори - приклад

Специфікація

Ехо-імпульсні операції Всі ультразвукові сенсорі подвійний - вони можуть передавати і отримувати. У багатьох додатках, використовуються два сенсори. В інших вони перемикаються між надсилати та отримувати режимах. Це найбільш поширений спосіб для роботи в медичних цілях і випробувань матеріалів.

Ехо-імпульсні операції Цей аналіз свідчить про існування розриву. Амплітуди відображення є функцією від розміру розриву. Точне місце розриву можна знайти від час, який необхідний для розповсюдження хвилі із розриву. Малюнок 7.32 показує приклад знаходження місць дефектів у шматку металу. Передня і задня поверхні видно, як правило, великого відображення в той час як дефект, як правило, менше. Його місце розташування може бути легко виявлене. Та ж ідея може бути використана для створення образу дитини в утробі матері і для зондування позиції в промисловості.

Пошук місць ушкоджень ультразвуком

Зондування швидкості рідини Є три ефекти, які можуть бути використані. 1. Швидкості звуку в порівнянні з рідиною, в якій він проходить. (Наш голос несе за вітром швидше (при швидкості вітру), що ще в повітрі). Ця різниця в швидкості може бути визначена в моменту в момент коли звук дістанеться з однієї точки в іншу.. 2. Другий ефект заснований на різниці фаз, викликаних при зміні у швидкості. 3. Третій ефект Доплера - частота хвилі, що розповсюджується за вітром вище, ніж частота в нерухомому повітрі.

Зондування швидкості рідини Приклад зондування швидкості рідини з використанням методу 1. У цьому випадку відстань і кут нахилу датчиків відомо і час передачі, скажімо, вниз за течією: c speed of sound vf fluid speed

Магнітострикційні сенсори У повітрі або в рідині, п'єзоелектричні сенсори є кращими. У твердих тілах є альтернатива - Магнітострикція. Ці датчики в сукупності називаються магнітострикційні ультразвукові датчики. Використовується при більш низьких частотах (100 кГц) для одержання більш високої інтенсивністю хвилі. Це додає котушці потрібну частоту. Поле, створюване в матеріалі створює напруження, яке генерує ультразвукові хвиля.

EMA сенсори Навіть прості методи для генерації змінного електромагнітного поля усередині матеріалу, в якому звукові хвилі, будуть створені. Тому що індукований електричний струм, є сили, що діє на ці струми через зовнішнє магнітне поле, створюваного постійними магнітами. Взаємодія породжує напруги і звукові хвилі. Такі сенсори називають електромагнітними акустичними сенсорами (EMAT - електромагнітне акустичне перетворення). Ці датчики як правило, працюють на низьких частотах (

Структура EMA сенсорів

П'єзоелектричні актюатори Один з перших актюаторів використовувався в аналогових годинниках протягом десятиліть. По суті п'єзоелектричний кристал (кварц) використовується і зараз. Коли імпульс пов'язаний через балку вона схиляється (вниз) і рухається колесо одного зуба одночасно. Для цього спрацювання потрібно хвилину часу. Їх основне значення – точність.

П'єзоелектричні актюатори Інші актюатори були поділені на ті, які рухаються на великі відстані і ті які мають велику силу. Один з таких пристроїв показано на малюнку 7.38 Це 70x90mm і при 600В актюатор працює з рухом на 8mm. Номінальне зусилля для цього пристрою становить близько 17 кг сили при номінальній напрузі. Деякі п'єзоелектричні актюатори можуть працювати на менших напругах, велика напруга для більшості актюаторів є серйозним недостатком.

Лінійний п'єзоелектричний актюатор

Стекові п'єзоелектричні актюатори Окремий елемент зі своїм власним електродом може бути розміщений у стеку. У таких пристроях переміщення становить від 0,1 до 0,25% довжини стеку.. Перевага цих пристроїв полягає у досягненні більшої сили, як показано на малюнку 7.38. Невеликий актюатор здатний здійснити переміщення у 0,05мм зі силою 40Н, я показано на малюнку 7.39.

Стекові п'єзоелектричні актюатори

Saw пристрої Поверхневі хвилі реле. Поверхневі хвилі поширюються по поверхні пружного середовища і мають незначний вплив на обсяг середовища. Вони мають властивості, які відрізняються від властивостей повздовжньої хвилі. Найбільш важливою властивістю є повільна швидкість розповсюдження. Розповсюдження поверхневої хвилі є недисперсійним.

Saw пристрої Точне визначення хвиль, що розповсюджується на межі розділу між пружним середовищем і вакуумом або розрідженим газом (повітря, наприклад) є незначним проникненням в глиб середовища. Хороша аналогія поверхневої хвилі є океанічна хвиля. Відношення швидкості і частоти: =c/f, Чим нижча швидкість хвилі, тим менша довжина хвилі в цьому середовищі. Менші фізичні розміри пристрою!

Saw пристрої Генерація поверхневих хвиль: У великому зразку можна встановити процес перетворення хвиль. На поверхні середовища можлива як поперечна хвиля так і повздовжня (малюнок 7.40) Це рішення є очевидним, але не є оптимальним.

Поверхневі хвилі в твердому тілі

Saw пристрої Більш ефективний метод це застосування металевих смужок із п'єзоелектричного матеріалу для міжпальцевих смуг. Це створює періодичну структуру металевих смуг. Коли коливальне джерело підключене через два набори електродів, періодичного електричного поля, встановлені в п'єзоелектричних матеріалі, З-за цього електричного поля, еквівалентного, періодична модель напруги встановлюється в п'єзоелектричному середовищі. Це створює хвилеву напругу (звукові хвилі), яка тепер поширюється від електродів в обох напрямках. Генерування є найбільш ефективним, коли період поверхневої хвилі дорівнює міжпальцевому періоду.

SAW генератор

SAW пристрої Наприклад, у структурі на малюнку 7.41, припустимо, що частота джерела становить 400 МГц. Швидкість поширення в п'єзоелектричних складає близько 3000 м / с. Це дає довжину хвилі 7.5 m. Створення кожної смуги в структурі /4 дає1.875 m відстані між смугами і 1.875 m – відстань між сусідніми смугами. Цей розрахунок показує, що розміри дуже малі (такий же пристрій, заснований на електромагнітній хвилі з довжиною хвилі 750mm).

SAW пристрої Гребінцева структура генерує звукові хвилі в п'єзоелектричних середніх частотах. Звукова хвиля у п'єзоелектричних середніх частотах дає сигнал гребінцевої структури. Структура може бути використана як для генерування так і при поверхневих хвилях, пристрій може бути використаний як для зондування так і для активації.

SAW резонатори Найбільш поширеним є використання поверхневих акустичних хвиль (ПАР) в SAW резонаторах, фільтрах і лініях затримки. Резонатор SAW показаний на малюнку 7.42. Паралельні лінії на кожній стороні канавки травлення в п'єзоелектричних кварцах.

SAW резенатор

SAW резонатори Вхідний порт встановлює поверхнева хвиля. Хвиля відбивається від канавки на кожній стороні. Це відображення один з одним створює резонанс, який залежить від градієнту поділу. Решта сигналів зникають.

SAW резонатори Цей пристрій є популярним елементом, який визначає частоту генератора в спілкуванні. Дуже маленький пристрій може легко працювати на низьких частотах і на частотах, що перевищують межу звичайного осцилографа. Пристрій на малюнку 7.42 можна також розглядати як вузько-смуговий фільтр. Основі сенсори лінії затримки (Малюнок).

SAW резонатори для спілкування

SAW лінія затримки

SAW резонатор Пристрій ліворуч створюється поверхневі хвилі. Це виявлено після затримки в пристрої справа. Затримка залежить від відстані між пристроями, а оскільки довжина хвилі, як правило, невелика, затримка може бути тривалою. Додавання підсилювача зворотного зв'язку робить цей генератор частотним в залежності від затримки.

SAW резонатор Основні SAW сенсори показано на малюнку 7.45 Вони засновані н лініях затримки в яких затримка залежить від стимулу. По суті ідентичні сенсори показано на малюнку 7.46 які складається з двох ідентичних ліній затримки. Одна лінія використовується належним чином, інша як сканування різних ефектів таких як температура. У більшості випадків час затримки не вимірюється, але за допомогою підсилювача зі зворотнім зв'язком можна встановлювати затримку самостійно.

SAW сенсор

SAW сенсор

SAW резонатор Стимули можна виміряти. По-перше, швидкість звуку залежить від температури. Зміна температури, фізичної величини лінії затримки і швидкості звуку можна зазначити як : is the coefficient of linear expansion the temperature coefficient of sound velocity.

SAW резонатор Затримка і генерування частот залежать від власної різниці . Зміна частоти при температурі: This is linear and a SAW sensor has a sensitivity of about 10 C.

SAW резонатори У зондуванні тиску, затримка у поширенні пояснюється п'єзоелектричною напругою як зазначено вище. Вимірювання переміщення, сили і прискорення виробляються шляхом вимірювання деформації (тиском), здійснених в сенсорі. Багато інших стимулів не можуть бути виміряні .