초음파 변환기

Ultrasonic transducer
의료용 초음파 검사에 사용되는 선형 배열 초음파 변환기
Philips C5-2 128 소자 곡선 어레이 초음파 센서 내부 구조

초음파 변환기와 초음파 센서는 초음파 에너지를 생성하거나 감지하는 장치다.그것들은 크게 세 가지 범주로 나눌 수 있다: 송신기, 수신기, 송수신기.송신기는 전기 신호를 초음파로 변환하고, 수신기는 초음파를 전기 신호로 변환하며, 송수신기는 초음파를 송수신할 수 있다.[1]

애플리케이션 및 성능

초음파는 풍속과 방향(음속계), 탱크나 채널 유체 수준, 공기나 물을 통한 속도 측정에 사용할 수 있다.속도나 방향을 측정하기 위해 장치는 여러 개의 검출기를 사용하고 공기나 물에서 미립자까지의 상대적 거리에서 속도를 계산한다.탱크 또는 채널 액체 수준과 해수면(관측 게이지)을 측정하기 위해 센서는 유체 표면까지의 거리(범위)를 측정한다.가습기, 음파탐지기, 의료 초음파 검사, 도난 경보, 비파괴 검사 및 무선 충전이 추가적으로 적용된다.

시스템은 일반적으로 18kHz 이상의 초음파 범위에서 전기 에너지를 음성으로 변환한 다음 에코를 수신하면 음파를 측정 및 표시할 수 있는 전기 에너지로 변환하는 변환기를 사용한다.

이 기술 역시 접근하는 물체를 감지해 위치를 추적할 수 있다.[2]

초음파는 또한 변환기들 사이에서 분리된 초음파 버스트를 전송하고 수신함으로써 점 대 점 거리 측정을 하는 데 사용될 수 있다.이 기법은 초음파 신호의 전달 시간을 전자적(디지털적)으로 측정하여 변환기 사이의 매체 소리 속도를 가정하여 변환기 사이의 거리로 수학적으로 변환하는 소노믹크로메트리(Sonomicrometry)라고 한다.이 방법은 비행 시간 측정은 기준 수준 또는 영 교차로에 의해 동일한 입사(수신) 파형을 추적하여 얻을 수 있기 때문에 시간 및 공간 분해능 측면에서 매우 정밀할 수 있다.이를 통해 측정 분해능이 변환기에 의해 발생하는 음 주파수의 파장을 훨씬 초과할 수 있다.[1]

변환기

N = 67 mm의 물에서 근거리 장 길이의 비집중 4 MHz 초음파 변환기의 음장.이 그래프는 로그 db-scale에서 음압을 보여준다.
곡률 반경 R = 30 mm의 구형 곡률을 갖는 변환기 표면과 동일한 초음파 변환기의 음압장(4MHz, N = 67 mm)

초음파 변환기는 AC를 초음파뿐만 아니라 그 반대의 경우도 초음파로 변환시킨다.초음파란 일반적으로 압전 변환기 또는 용량성 변환기를 말한다.압전 결정체는 전압을 가하면 크기와 모양이 변하고, AC 전압은 동일한 주파수로 진동하며 초음파 소리를 낸다.정전식 변환기는 전도성 다이어프램과 배킹 플레이트 사이에 정전기장을 사용한다.

변환기의 빔 패턴은 활성 변환기 영역과 형태, 초음파 파장 및 전파 매체의 음속에 의해 결정될 수 있다.도표는 다른 에너지 레벨에서 분명히 초점을 맞추지 않은 물과 초점 초음파 변환기의 음장을 보여준다.

압전소재는 힘이 가해지면 전압이 발생하기 때문에 초음파탐지기 역할도 할 수 있다.어떤 시스템은 별도의 송신기와 수신기를 사용하는 반면, 다른 시스템은 두 기능을 하나의 압전 송수신기로 결합한다.

초음파 송신기도 비피조 원리를 사용할 수 있다.자기 자극 같은 것이 성질을 가진 재료는 자기장에 노출되면 크기가 약간 달라지고 실용적인 변환기를 만든다.

콘덴서("콘덴서") 마이크는 초음파에 반응하는 얇은 다이어프램을 가지고 있다.횡격막과 촘촘히 간격을 둔 배면판 사이의 전기장 변화가 음향신호를 전류로 변환시켜 증폭시킬 수 있다.

횡격막(또는 멤브레인) 원리는 비교적 새로운 마이크로 기계식 초음파 변환기(MUTs)에도 사용된다.이 장치들은 실리콘 마이크로 기계화 기술(MEMS 기술)을 사용하여 제작되었으며, 변환기 어레이의 제작에 특히 유용하다.다이어프램 진동은 다이어프램과 밀접하게 간격을 두고 백킹 플레이트(CMUT) 사이의 캐패시턴스를 사용하거나 다이어프램(PMUT)에 피에조-전기 소재의 얇은 층을 추가하여 전자적으로 측정하거나 유도할 수 있다.대안으로, 최근의 연구는 횡격막의 진동이 횡격막 내부에 통합된 작은 광학 링 공명기에 의해 측정될 수 있다는 것을 보여주었다.[3][4]

초음파 변환기는 음향 공중부양에도 사용된다.[5]

약에 사용하다

주요 기사:의료초음파

의료용 초음파 변환기(프로브)는 신체의 다양한 부분의 단면 영상을 만드는 데 사용할 수 있도록 다양한 형태와 크기로 제공된다.변환기는 태아 초음파 영상과 같이 피부에 접촉할 때 사용하거나 직장이나 질과 같은 신체 구멍에 삽입할 수 있다.초음파 유도 절차를 수행하는 임상의사는 종종 프로브 위치결정 시스템을 사용하여 초음파 변환기를 고정한다.

산업에서 사용

초음파 센서는 많은 자동화된 공장과 공정 공장에서 대상의 움직임을 감지하고 대상과의 거리를 측정할 수 있다.센서는 물체의 움직임을 감지하기 위한 On/Off 디지털 출력 또는 거리에 비례하는 아날로그 출력을 가질 수 있다.그들은 웹 안내 시스템의 일부로서 재료의 가장자리를 감지할 수 있다.

초음파 센서는 운전자가 주차공간으로 후진하는 것을 돕기 위해 주차센서로 자동차에 널리 사용된다.그들은 초음파탐지와 무인항공기 자율항법 보조를 포함한 많은 다른 자동차 사용에 대한 테스트를 받고 있다.[citation needed]

초음파 센서는 빛을 감지하는 대신 소리를 사용하기 때문에 광전 센서가 작동하지 않을 수 있는 응용 분야에서 작동한다.초음파는 명확한 물체 감지 및 액체 수준 측정을 위한 훌륭한 솔루션으로 광전자가 대상 반투명성 때문에 어려움을 겪는 애플리케이션이다.또한 대상 색상이나 반사율은 고광도 환경에서 안정적으로 작동할 수 있는 초음파 센서에 영향을 주지 않는다.

수동형 초음파 센서는 고압 가스 또는 액체 누출 또는 초음파 소리를 발생시키는 기타 위험 조건을 감지하는 데 사용할 수 있다.이러한 장치에서는 변환기(마이크로폰)의 오디오가 인간의 청력 범위로 변환된다.

상용 초음파 배출기는 상용 초음파 세척기기에 사용된다.초음파 변환기는 용매(주로 물 또는 이소프로판올)로 채워진 스테인리스 팬에 부착된다.전기 사각파는 변환기에 전원을 공급하여 공동화를 일으킬 수 있을 정도로 강한 용매에 소리를 발생시킨다.

초음파 기술은 여러 가지 세척 목적으로 사용되어 왔다.지난 10년간 상당한 견인력을 얻고 있는 것 중 하나가 초음파 총 청소다.

초음파 시험은 다른 유형의 스캔을 사용하여 부식, 용접 및 재료 결함을 평가하기 위해 야금 및 공학에도 널리 사용된다.

참조

  1. ^ a b Brook, Karen (2020-07-22). "Ultrasound Transducer Care and Handling Tips". Ultrasound. Retrieved 2022-02-20.{{cite web}}: CS1 maint : url-status (링크)
  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. doi:10.1109/TIM.2018.2866358.
  3. ^ Westerveld, Wouter J (2014). Silicon photonic micro-ring resonators to sense strain and ultrasound (Ph.D.). Delft University of Technology. doi:10.4233/uuid:22ccedfa-545a-4a34-bd03-64a40ede90ac. ISBN 9789462590793.
  4. ^ 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, and 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.{{cite journal}}: CS1 maint: 작성자 매개변수 사용(링크)
  5. ^ Vieira, Silvio L.; Andrade, Marco A.B. (2020). "Translational and rotational resonance frequencies of a disk in a single-axis acoustic levitator". дщд. Bibcode:2020JAP...127v4901V.

추가 읽기

  • 에스콜라, 알렉산드르, 플라나스, 산티아고, 로젤, 조안 라몬, 포마르, 제수스, 캠프, 페란, 솔라넬레스, 프란체스코, 그라시아, 펠립, 로렌스, 조르디, 길, 에밀리오(2011-02-28)"애플 나무 캐노피에 초음파 레인지 센서 성능"센서. 11(3): 2459–2477. doi:10.3390/s110302459.ISSN 1424-8220.PMC 3231637.PMID 22163749.