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數字化儀的超聲波應用

超聲波是頻率大于人類聽覺范圍上限的聲學聲壓（聲學）波。超聲波設備的工作頻率為20 kHz至幾千MHz。表1總結了一些更常見的超聲波應用的特征。

每個應用中使用的頻率范圍都反映了實際情況下的平衡。提高工作頻率可以通過提高分辨率來檢測較小的偽影，但較高頻率的信號無法穿透那么遠。超聲波應用的常見問題是信號衰減，它與信號頻率成反比。因此，在表面研究應用中往往使用非常高的頻率，而當需要更大的穿透力和功率時，較低的頻率更占主導地位。當然，增加數字化儀的動態范圍也可以讓您檢測更小的信號。

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數字化儀選型

表1：常見超聲波應用的特征以及推薦的德思特Spectrum數字化儀

● 采樣率：

產品選型主要與實際應用中頻率有關。一般來說，數字化儀的采樣率需要是應用頻率的5到10倍。除非應用中使用多普勒頻移，即使頻率可能不是那么高，但隨著頻移，定時分辨率也需要更高，而頻移通常是需要測量的信號周期的一小部分。在多普勒應用中，數字化儀的采樣率可能需要遠高于所用頻率的10倍。

● 帶寬：

數字化儀帶寬應超過應用中使用的最高頻率至少兩倍。使用較低帶寬將導致較高頻率信號的衰減，并且可能限制測量分辨率和精度。

● 動態范圍：

增加數字化儀的動態范圍（位數）可以檢測更小的信號。更高分辨率的ADC通常可提供更好的信噪比，從而可以在同一采集中檢測大信號和小信號。這就是為什么前沿系統經常使用更高分辨率的ADC或信號處理（如平均和濾波）來提高其整體測量靈敏度。

● 其他因素：

**數字化儀的輸入電路必須與超聲波傳感器的輸出阻抗和耦合要求良好匹配。**德思特大多數數字化儀都提供輸入路徑、配置和終端阻抗的選擇，以實現最佳匹配。

根據超聲波信號的性質，數字化儀的采集模式也可能很重要。數字化儀接受和處理多個采集的能力使得多個信號突發或脈沖超聲波的應用成為現實，并且突發事件之間的死區時間最小。分段、門控和流式采集模式都可以在確保準確捕獲和分析每個事件方面發揮作用。此外，德思特數字化儀還提供信號處理功能，例如平均、峰值檢測、濾波和快速傅立葉變換(FFT)。其中，平均和峰值檢測可作為基于FPGA的內部處理功能。其他信號處理功能可在配套的SBench6軟件平臺或第三方軟件中使用。

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典型的超聲波應用

以下超聲波測距儀的測量說明了數字化儀中可用的一些功能。該設備發射五個40 kHz的聲脈沖。本次測試的測量傳感器是100 kHz帶寬儀表麥克風。麥克風需要一個1兆歐的直流耦合輸入端接。下圖顯示了SBench6軟件對該測量結果的顯示。數字化儀使用多種采集模式進行設置。它獲取五個超聲波脈沖作為單次測量。顯示屏頂部的預覽窗格顯示了這些突發脈沖。每個事件都帶有時間戳，屏幕左下角的時間戳表顯示事件的絕對時間和相對于其他事件的時間。

所采集的第一個脈沖的縮放顯示（包括來自目標的衰減反射）顯示在左上方顯示的軌跡中。請注意，后緣并不平坦。FFT視圖顯示右下象限中采集信號的頻譜。除了40 kHz主頻率之外，還有80 kHz的二次諧波和顯著的低頻雜散分量。所采集信號的基線上升是由于低頻雜散拾取造成的。根據此頻譜視圖，對信號應用截止頻率為20和50 kHz的帶通濾波器（右上網格）。濾波導致信號后沿變平。五個獲取的突發的平均值顯示在左下網格中。每個視圖的垂直軸均按麥克風的靈敏度進行縮放，并以聲壓（帕斯卡）為單位讀取。這些視圖提供了有關所采集信號的重要量化信息。

此外，信號頻率以及最大和最小信號幅度的測量結果顯示在標記為“信息”的框中。這是可用測量的一小部分樣本。數字化儀及其配套軟件提供多種測量和分析工具，以幫助超聲波應用的開發。

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用戶案例

**● **中國上海交通大學正在研究由預制微氣泡的慣性空化產生的子泡的特性。為了檢測慣性空化和散射，傳感器產生的信號由TS-M4i.4410-x8 130 MS/s、16位數字化儀采集。然后將數據傳輸到計算機進行傅里葉變換和功率譜分析。

**● **英國利茲大學電子與電氣工程學院如何使用TS-M4i.4420-x8高分辨率數字化儀、等離子體金納米棒和高強度聚焦超聲 （HIFU） 來改進用于治療癌組織的非侵入性技術。

**● **中國上海交通大學傳感科學與工程學院，他們正在使用一種閉環反饋控制器，基于脈沖長度（PL）的調節方法來提高穩定空化（SC）活動的時間穩定性。目的是在靶區實現可控和理想的SC活性，以提高治療效率和生物安全性。該設置使用TS-M4i.4410-x8 130 MS/s、16位PCIe數字化儀來確定循環微氣泡的聲發射特性。數字化儀采集傳感器產生的信號，并將數據高速傳輸到計算機進行后續處理。






審核編輯：劉清