5 AKUSTICKÉ SYSTÉMY - ULTRAZVUK Obecne akustické systémy Ultrazvuk (UZ) - vyššia f (40kHz 10MHz) Preč? UZ frekvencie sa ľahšie smerujú a detekujú menšia λ vyššia presnsť (100 khz λ = 3,43 mm) vysielače a prijímače - prijateľnejšie rzmery systémy nerušia ľudský sluch Metódy: známa rýchlsť šírenia zvuku c gemetria šírenia Využitie : zistenie prekážk, meranie vzdialenstí defektskpia meranie prietku medicína - kntrla vnútrných rgánv systémy s pvrchvými vlnami (PAV, angl SAW) splupráca s inými brmi - akustptika, chémia, atď 51 Základné pjmy 511 Ultrazvukvé (UZ) vlny plyny d 20 40 khz d 300 400 khz kvapaliny a tuhé telesá rádv MHz PAV 10-ky MHz Zvuk - kmitanie hmtných častíc prstredia kl rvnvážnej plhy Typy vĺn : priestrvé (bjemvé) : - priečne - pzdĺžne pvrchvé - Pvrchvé Akustické Vlny (PAV) : - priečne - pzdĺžne Plyny a kvapaliny len pzdĺžne vlny
Základné akustické veličiny Akustický tlak p skalár, [Pa] Akustická rýchlsť v striedavý vektr, [m/s] Rýchlsť šírenia c jednsmerný vektr, [m/s] Vlnplchy rvinné a guľvé (rvnaká fáza kmitania) Akustická impedancia Z vlastnsti prstredia, (merná ak imp z) z = p v =ρ c [Pa s m 1 ] ρc vlnvý dpr prstredia Intenzita zvuku I : I = p v [W/m 2 ; Pa; m/s] v [db] I db = 10 lg (I / I 0 ) kde I 0 = 10-12 [W/m 2 ] je sluchvý prah akustický tlak v db : p db = 20 lg p/p 0 kde p 0 = 210-5 [Pa] je sluchvý prah Akustický výkn (prenášaný v smere šírenia) : P s = I S [W; W/m 2 ; m 2 ] Vzťahy a linearita neplatia, ak p p atmsfer ( 100 kpa) tj pri I > 170 db Vplyv UZ na živé rganizmy je pzrvateľný, ak I > 3 5 W/cm 2 (kl 160 170 db) Vlnvá dĺžka λ [m] λ = c / f [m; m/s; Hz] kde: c - rýchlsť šírenia (v danm prstredí) f - frekvencia vlnenia
Pznámka: Pri prechde d inéh prstredia s inu c sa pri zachvanej frekvencii mení dĺžka vlny λ 512 Šírenie UZ v plynch (vzduchu) útlm UZ vĺn rýchlsť šírenia c Útlm UZ vĺn Intenzita klesá pdľa 1/x 2 Reálne viac Keficient útlmu α [1/m] aleb α db [ db/m] (A db = α db r ) A db 140 120 100 80 60 40 400 khz 300 khz 200 khz 100 khz 20 khz 1/r 2 20 0 0 10 2 0 30 r [dm] Obr 28 harmnický signál - pkles amplitúdy bdĺžnik (impulzy) - klesá strmsť hrán Rýchlsť šírenia UZ vĺn upravená rvnica (platná pre frekvencie < 100 MHz ) je: c = 331,46 ( 1 + 1,83 10-3 ϑ ) ( 1 + 2,2 10-4 δ ) (5-2) δ - relatívna vlhksť (plynu) [%] ϑ - teplta (plynu) [ C]
Príklad: Pri meraní L = 1m a Δ ϑ 2 C, chyba je 3,62 mm Pri Δ ϑ 20 C je chyba 35,33 mm (pre L = 1m) Pznámka: c v vzduchu je cca 1234 km/hd = 1 MACH (letecký termín) 52 Akustické meniče gemetria elektrické parametre akustické parametre (ich vzťah k elektrickým) reciprčná činnsť - jeden menič vysiela i prijíma Reálne systémy : piezelektrické kndenzátrvé (elektrstatické) elektrický výbj - najmä iskra ak vysielač Akustické parametre : akustický výkn (tlak) v mieste merania min 10-2 Pa citlivsť prijímača min 0,1 mv/pa (bežne 1 20 mv/pa) akustické prispôsbenie - malý rzdiel akust impedancií (vln dprv) 521 Piezelektrické meniče piezelektrický jav, piezkeramika, (prírdné materiály) Výrba: surviny, mletie, zmiešanie, lisvanie, vypálenie, plarizvanie U vst smer phybu U vst smer phybu vektr plarizácie vektr plarizácie Obr29 Pznámka: ρ = 2 7,5 kg/dm 3, c =4000 m/s
platnička, disk X dutý valec X - Y dutá guľa priestr (radiálny mód, hrúbkvý mód) Ekvivalentná el schéma - reznančný bvd C + X L C R e X (L) Z ω s ω p Re ω ω s ω p (C) a) b) c) Obr 30 ω C 0 - statická kapacita L - indukčnsť je úmerná hmtnsti (ztrvačnsť) C - kapacita je úmerná mechanickej pddajnsti R e - dpr predstavuje mechanické straty Budenie vysielačv : kntinuálny signál - harmnický, aleb bdĺžnik 30 200 V rádivý impulz (br31 a,b) impulzné budenie - jeden impulz (br31 c) τ p max T a) b) c) Obr 31
Vyžarvanie d vzduchu Vlnvý dpr ρc (resp merná akust impedania z) : vzduch pri 20 C z 413 [Pasm -1 ] piezkeramika z 30010 5 [Pasm -1 ] PVdF fólia "plyvinylidenflurid", plarizvaný plymér, pužitie ak piezkeramika Tvary piezmeničv membrána piezelement a) ~ b) Obr 32 c) ~ ~ d) Pznámka: Reciprčný režim je mžný, becne sa systém ptm nazýva snda 522 Kndenzátrvé (elektrstatické) meniče elektrstatické sily - vysielače dpad zvuku zmena C - prijímače (mikrfóny)
aktívna plcha p ŽE U p ŽE φ 1 5 mm M M R výst ŽE b) M a) Obr 33 c) UZ frekvencie: malé rzmery tenké membrány (pkvený plast 1 20 µm) Elektret - netreba plarizačné napätie "Sell systém" - pre plchu viacnásbný br84b Zdrsnená elektróda br84c Využitie Si (i ak membrána) Príklad : Vytvrená Si membrána 0,8 x 0,8 mm, h = 150 nm, Al pkvenie 100 nm V ďalšej časti Si substrátu je elektrnika Budenie meničv: ~ 10 100 V Meniče sú širkpásmvé, f medz 50 300 khz Pznámka: Reciprčný režim mžný Mikrfóny - vyská citlivsť, veľké Δ f Tvary: rvina, valec, guľa bmedzene (guľvý vrchlík) 523 Elektrický výbj iskra - zdrj UZ vĺn tlejivý výbj - príjem UZ vĺn Elektrická iskra - vysielač UZ vĺn Elektrická iskra - výbj medzi elektródami
+ veľká intenzita zvuku strmá nábežná hrana širké frekvenčné spektrum, d pčuteľných d cca 500 khz kvázibdvý zdrj zvuku - iskra - zdrj prúch, nutné sú drušenia (tienenia) dráha iskry je náhdná - menšia presnsť výbušné prstredia!!! Realizácia: statický zdrj - ptrebné Vn (8 10 kv), menej vhdný impulzný zdrj - Vn impulzný transfrmátr br 34 + R nab C Trvn R nabíjacia linka štart Ty D 0 N 1 N 2 C L iskra Obr 34 C sa nabíja z + cez R nab (50 300 V) štart tvrí Ty a C je vybíjaný d primáru Trvn N 2 >> N 1 U výst je vyské (impulz) nabíja sa "nabíjacia linka" (kaxiálny kábel) s kapacitu C L U medzi elektródami rastie inizačný prces U prekrčí elektrickú pevnsť vzduchu kanálvý výbj energia z nabíjacej linky W L = 1/2 C L U 2 prierazu
Optimálna medzera medzi elektródami je 0,3 0,6 mm (intenzita a presnst plhy iskry) Vlastné meniče - žiariče a) s výbjm p pvrchu b) medzi hrtmi d izlant a) elektródy Obr 35 elektródy izlant b) Tlejivý výbj (prijímač UZ vĺn) stabilný výbj, definvaný pre I = 10-5 1A (nízke tlaky-trubice) parametre výbja závisia d p (aj akustický p) elektrické parametre vieme vyhdntiť Vlastnsti : malé rzmery - bdvý prijímač bez hmtných phyblivých častí - vyská medzná f reciprčný režim práce kmplikvané napájanie - knšt = U N cca 4 kv výbušné prstredie nestabilita výbja : (citlivsť, vlastné kmitanie)
U v (300 400V) M1 0,5 0,6mA C f R f +U N 3,5 4kV 10n Rt T 5M A výstup Obr 36 - výbj je medzi dvmi zahrtenými elektródami - prúd pri atm tlaku bmedzený dprm (na 10-5 1A), inak vzniká iskra - pretekajúci prúd závisí d tlaku - riešenie s "anténu" A Pznámka: Nestabilita výbja - vážny prblém Prijímač sa náhdne stáva kmitajúcu sústavu, vydávajúcu zvuk (prskanie), čím je vyradený z činnsti Tt bráni zatiaľ jeh vážnejšiemu využitiu 53 Pvrchvé akustické vlny - PAV (Niekedy nazývané pdľa význačnéh pracvníka "Rayleighih vlny") - šíria sa p pvrchu tuhých telies - c je vyská vyské f (10 - ky MHz) - filtre, analyzátry plynv, vlhkmery - budenie - interdigitálne meniče, (hrebeňvé elektródy na piezkeramickej pdlžke) - rzmery a charakter meničv základná f (napr pre 30 MHz šírka 25 µm, medzery 25 µm) Senzr - dva interdigitálne meniče, medzi nimi je aktívna (selektívna) vrstva
f vst tlmiaca vrstva vysielač meniče citlivá vrstva PAV prijímač tlmiaca vrstva piezkeramická pdlžka f výst Obr 37