Ультразвуковые воздушные преобразователи давно и широко применяются для измерения дистанции, бесконтактного определения присутствия, в системах определения сближения, системах предупреждения столкновений на транспорте. В таких устройствах преобразователем излучается короткий ультразвуковой импульс по направлению к цели, которая отражает звук (эхо) обратно к преобразователю. После приема отраженного импульса электронная система измеряет время, за которое он возвратился, и вычисляет дистанцию до цели на основе известной скорости распространения звука в среде (воздухе).
Имеющиеся на современном рынке микроэлектроники ультразвуковые преобразователи отличаются друг от друга конструктивно-технологическими вариантами: материалами используемой пьезокерамики, материалом корпуса, присоединительными размерами, степенью защиты от внешней среды, электрическими характеристиками. С акустической точки зрения они работают на различных частотах, имеют разные характеристики направленности. Для правильного выбора ультразвукового преобразователя в конкретном приложении помимо технических характеристик необходимо учитывать взаимосвязи (тонкости) акустических характеристик среды и цели, а также их влияние на работу преобразователя. Главные из этих взаимосвязей следующие:
В качестве иллюстрации приведем несколько фундаментальных зависимостей, связанных с распространением звука в воздушной среде. Например, скорость звука в воздухе при температуре 0°С составляет 331 м/с, в углекислом газе - 258 м/с. Температурная зависимость скорости звука в воздухе приведена на рис. 1 (скорость звука при комнатной температуре равна 343 м/с).
Рис. 1. Зависимость скорости звука в воздухе от температуры в м/с
Еще одна основополагающая формула - зависимость длины звуковой волны от скорости звука и его частоты:
λ = c/f, где λ - длина волны, с - скорость звука в среде, f - частота.
График зависимости длины звуковой волны в воздухе от частоты при комнатной температуре приведен на рис. 2.
Рис. 2. Зависимость длины звуковой волны в воздухе от частоты при комнатной температуре
Из графика видно, что для преобразователя 40 кГц длина волны составляет приблизительно 0,8 см, а для частоты 250 кГц - 0,13 см. Это объясняет, почему для точного измерительного инструмента (например, ультразвуковой электронной рулетки) используют более высокочастотные преобразователи 120 - 250 кГц. В то же время для приложений, где точное измерение дистанции не требуется, например, в системах обнаружения препятствий позади автомобиля, применяют преобразователи 40 кГц. Более того, низкочастотный преобразователь (40 кГц) имеет преимущество для последнего приложения в связи с тем, что затухание звука с частотой 40 кГц в воздухе меньше, чем для частоты 250 кГц. Это свойство иллюстрирует еще одна фундаментальная зависимость теории и практики преобразователей - зависимость затухания звука при распространении в воздухе от частоты колебаний и влажности воздуха (рис. 3). Видно, что затухание звука с частотой 40 кГц более чем в 4 раза меньше, чем для частоты 250 кГц, при расчете на 1 фут и при всех остальных фиксированных параметрах.
Рис. 3. Максимальное затухание звука в воздухе при комнатной температуре, фиксированной влажности для частот 40 - 250 кГц
Более подробно с функциональными зависимостями, необходимыми для расчета и выбора характеристик воздушных преобразователей для различных применений можно ознакомиться в специальной литературе.
Большинство ультразвуковых преобразователей, входящих в состав промышленно выпускаемых приборов и систем измерения малой мощности, работают в диапазоне частот от 40 до 250 кГц. Ведущими разработчиками и производителями ультразвуковых преобразователей самого разнообразного применения являются американские компании APC International, Parsonics, Massa Products, Honeywell. В последние годы в этой области активно работают и фирмы из Юго-Восточной Азии, одной из которых является тайваньская Sепсега.
Рассматриваемые в статье ультразвуковые преобразователи (УП) относятся к разряду относительно недорогих пьезокерамических преобразователей нижнего ультразвукового диапазона (25 - 40 кГц) широкого применения, работающие в воздушной среде. Несмотря на невысокую цену, преобразователи, благодаря используемым конструктивно-технологическим решениям, имеют хорошие электрические и механические характеристики, что является серьезной предпосылкой получения надежных радиоэлектронных изделий широкого применения на их основе. Основные характеристики преобразователей приведены в таблице 1, где для сравнения также приведены параметры аналогичных устройств американского и российского производства.
Таблица 1
Модель преобразователя | Центральная частота, кГц | Уровень звукового давления, дБ | Чувствительность, дБ | Емкость, пФ | Характеристика направленности, град | Фирма-изготовитель | Примечание |
TR4010T1 | 40±1 | > 110 | - | 1700±30% | Sencera | передатчик | |
TR4010R1 | - | <-70 | приемник | ||||
TR4010T2 | > 110 | - | передатчик | ||||
TR4010R2 | - | <-70 | 80 | приемник | |||
TR4012T1 | > 110 | - | передатчик | ||||
TR4012R1 | - | <-70 | приемник | ||||
TR4016T1 | > 120 | - | передатчик | ||||
TR4016R1 | - | <-63 | 54 | приемник | |||
TR2516T1 | 25±1 | > 115 | - | 2000±30% | передатчик | ||
TR2516R1 | - | <-66 | приемник | ||||
EC4010 | 40±1 | > 98 | <-67 | 44 | приемник-передатчик | ||
EC4012 | > 100 | 44 | |||||
EC4014 | |||||||
EC4016 | <-65 | ||||||
EC4018 | <-74 | ||||||
40CA-25E | > 106 | <-80 | 1950±20% | 25 | APC | ||
40CA-18SC | > 100 | <-65 | 72 | ||||
40T-16P | > 119 | 1900±30% | 34 | передатчик | |||
40R-16P | > 119 | <-41 | - | приемник | |||
TR-89B/31 | 31±2 | > 55 | <-50 | - | 34 | Massa | приемник-передатчик |
TR-89B/40 | 40±2 | > 55 | 20 мВ/Па | 1300 | 30 | ||
МУП-3 | 37 - 45 |
100 | 10 мВ/Па | 1500 | 74 | Элла | |
МУП-4 | 100 | 70 |
УП фирмы Sencera предназначены для работы в воздушной среде, но, по-видимому, могут быть использованы и для работы в неагрессивной газовой среде с характеристиками, подобными воздушной и, естественно, с учетом скорости распространения звука в конкретной среде. Имеется два конструктивных исполнения преобразователей производства фирмы Sencera - открытое, где внешняя воздушная среда имеет непосредственный контакт с пьезокерамическим излучателем, и закрытое, где излучающий-принимающий пьезопреобразователь отделен от воздушной среды герметичным корпусом. УП, вследствие присущей пьезокерамике обратимости, работают как в режиме излучения, так и в режиме приема, хотя для конструктивного исполнения открытого типа приемники и передатчики изготавливаются в разных корпусах с согласованными характеристиками по центральной частоте и ширине полосы пропускания. Простые на первый взгляд пьезокерамические преобразователи, имеющие всего два вывода, являются сложной электромеханической системой и характеризуются набором параметров, необходимых для конструктивных и электрических расчетов систем на их основе.
Основные характеристики УП:
Рис. 4. Диаграмма направленности воздушного преобразователя 40CA-18SC APC Corp. Ширина диаграммы направленности по уровню -6 дБ = 72° SPL в дБ (0 дБ = 0,0002 мкбар) шаг 10 дБ, центральная окружность = 60 дБ Условия измерений: воздух, расст. 30 см, 10 B RMS
Существует также множество других параметров преобразователей - как электрических, так и эксплуатационных, которые приводятся в документации на изделие. Это, например, рекомендуемый рабочий диапазон по дальности; характеристики стандартной цели (размеры, материал); величина "мертвой зоны"; габаритные размеры преобразователя; срок службы; материал корпуса; условия работы по влажности, вибрации и т. п.
Дополнительно к данным, приведенным в таблице, преобразователи Sencera имеют следующие характеристики:
Конструктивное исполнение Как уже упоминалось выше, существует 2 конструктивных исполнения УП Sencera - открытое и герметичное.
Преобразователи имеют следующее обозначение
TR - только передатчик / только приемник (для УП открытого типа) ЕС - комбинированое исполнение передатчик + приемник в одном корпусе |
||||
центральная частота, кГц | ||||
диаметр преобразователя, мм | ||||
Т - передатчик R - приемник |
||||
порядковый номер разработки | ||||
TR | 40 | 25 | T | 1 |
Все преобразователи выполнены в цилиндрических корпусах диаметром от 10 до 18 мм и высотой от 7 до 12 мм с двумя выводами для подключения. Материал корпуса либо ABS, либо алюминий (для герметичных исполнений). Влияние отдельных внешних факторов на чувствительность преобразователей приведено в таблице 2.
Таблица 2
Наименование | Условия | Пределы изменения чувствительности УП |
Диапазон температур | -20 ... +70 °С | 10 дБ |
Влажность | 40 ±2 °С, 90% RH, 2 часа | 4 дБ |
Ударное воздействие | Удар 50g, направление: 3 перпендикулярных направления. Продолжительность: 3 раза | |
Вибрационное воздействие | Направление: 3 перпендикулярных направления. Продолжительность: 1000 циклов воздействия гармонической частоты с параметрами: а) амплитуда вибрации 1,5 мм; б) качание частоты 10-50-10 Гц с интервалом 1 мин. |
Ультразвуковые преобразователи, как уже упоминалось, выполняют в системах две основные функции - излучение ультразвукового импульса и прием отраженного от препятствия или границы двух сред разной плотности сигнала (или сигналов). В соответствии с этими функциями электронная система, реализующая эхолокатор, состоит из следующих основных блоков: передатчик, коммутатор "прием-передача" (для варианта, когда один и тот же преобразователь работает в режимах приема и передачи), усилитель-приемник, генератор тактовой частоты, формирователь зондирующих импульсов, формирователь длительности дистанции, схема измерения времени задержки эхосигнала. На современном этапе развития электроники такая система может быть легко реализована с минимальным количеством компонентов на базе недорогого 8-разрядного микроконтроллера или даже в виде конфигурируемой системы на кристалле. Для конкретных приложений необходимо учитывать влияние дополнительных конструктивных элементов на параметры преобразователей, их взаимное влияние при работе в режимах прием-передача, наличие или отсутствие турбулентностей воздушной среды, "мертвых зон" и т. п.
В качестве законченного изделия массового применения, в котором использованы ультразвуковые воздушные преобразователи, можно привести так называемую систему безопасной парковки автомобилей фирмы Coligen. Внешний вид изделия приведен на рис. 5.
Рис. 5. Пример системы парковки на основе ультразвуковых датчиков
Система состоит из следующих компонентов:
По данным производителя, система позволяет определить расстояние до препятствия с точностью до 5 см. Приближение препятствия индицируется звуковым сигналом с характером звучания от прерывистого до постоянного. Диаграмма направленности датчиков, установленных на бампере автомобиля, в соответствии с инструкцией, в горизонтальной и вертикальной плоскостях приведена на рис. 6.
Рис. 6. Диаграмма направленности системы парковки
Из рис. 6 ясно, что система начинает "видеть" препятствие на расстоянии около 1,2 м. При этом звуковой индикатор подает редкие звуковые сигналы. При приближении к препятствию на расстояние 0,5 м звуковой сигнал звучит непрерывно. Характеристика диаграммы направленности в вертикальной плоскости помогает правильно выбрать высоту установки датчиков от поверхности земли для уменьшения величины "мертвой зоны".
Ультразвуковые воздушные преобразователи, выпускающиеся в мире миллионами штук (например, TR89 от Massa Corp.), занимают свою нишу в области точных бесконтактных измерений расстояний, определения приближений в производственных процессах (например, на конвейере), бесконтактного определения уровня жидкостей и сыпучих тел в больших емкостях, в качестве датчиков систем безопасности, систем предупреждения столкновений на транспорте, игрушках и т. п.
Область применения в большой степени определяет жесткость требований, предъявляемых к технико-экономическим характеристикам преобразователей.
Рассмотренные воздушные преобразователи Sencera находятся в середине рассмотренных обзорно в данной статье преобразователей по критерию "качество-надежность-цена", являются хорошим выбором для применений в системах предупреждения столкновений, датчиках приближений, измерений уровня жидкостей, в системах безопасности.