超聲波是一種頻率大于人類(lèi)聽(tīng)覺(jué)范圍上限的聲學(xué)聲壓波。超聲波設(shè)備的工作頻率從 20 kHz 到幾千兆赫茲。表 1 總結(jié)了一系列常見(jiàn)的超聲波應(yīng)用的特性。

每個(gè)應(yīng)用中使用的頻率范圍反映了工程權(quán)衡。 增加工作頻率可以通過(guò)增加分辨率來(lái)檢測(cè)較小的偽影，但較高頻率的信號(hào)不會(huì)穿透那么遠(yuǎn)。超聲應(yīng)用的常見(jiàn)問(wèn)題是信號(hào)衰減，它與信號(hào)頻率成反比。因此，在表面研究應(yīng)用中傾向于使用非常高的頻率，而當(dāng)需要更大的穿透力和功率時(shí)，較低的頻率更占主導(dǎo)地位。當(dāng)然，增加數(shù)字化儀的動(dòng)態(tài)范圍也可以讓您檢測(cè)到更小的信號(hào)。

表 1：常見(jiàn)超聲波應(yīng)用的特性以及推薦的 Spectrum 數(shù)字化儀

1.采樣率

產(chǎn)品選擇的基礎(chǔ)主要與應(yīng)用中使用的頻率有關(guān)。通常，數(shù)字化儀的采樣率需要是應(yīng)用頻率的 5 到 10 倍。如果應(yīng)用程序使用多普勒頻移，即使頻率可能沒(méi)有那么高，時(shí)間分辨率也需要更高，因?yàn)轭l移通常是需要測(cè)量的信號(hào)周期的一小部分。在多普勒應(yīng)用中，數(shù)字化儀的采樣率可能需要遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)所用頻率的 10 倍。

2.帶寬

數(shù)字化儀帶寬應(yīng)超過(guò)應(yīng)用中使用的最高頻率至少兩倍。使用較低的帶寬會(huì)導(dǎo)致較高頻率信號(hào)的衰減，并可能限制測(cè)量分辨率和精度。

3.動(dòng)態(tài)范圍

增加數(shù)字化儀的動(dòng)態(tài)范圍（位數(shù)）可以檢測(cè)更小的信號(hào)。更高分辨率的 ADC 通常提供更好的信噪比，從而可以在同一采集中檢測(cè)大信號(hào)和小信號(hào)。這就是為什么前沿系統(tǒng)通常使用更高分辨率的 ADC 或信號(hào)處理（如平均和濾波）來(lái)提高其整體測(cè)量靈敏度的原因。

4.其他注意事項(xiàng)

數(shù)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。許多虹科Spectrum 數(shù)字化儀都提供輸入路徑、配置和端接阻抗選擇，以實(shí)現(xiàn)最佳匹配。

根據(jù)超聲波信號(hào)的性質(zhì)，數(shù)字化儀的采集模式也很重要。使用多個(gè)信號(hào)突發(fā)或脈沖超聲波的應(yīng)用受益于數(shù)字化儀接受和處理多次采集的能力，并且突發(fā)事件之間的死區(qū)時(shí)間最短。多重（分段）、門(mén)控和流式采集模式都可以在確保準(zhǔn)確捕獲和分析每個(gè)事件方面發(fā)揮作用。此外，虹科Spectrum 數(shù)字化儀還提供平均、峰值檢測(cè)、濾波和快速傅立葉變換 (FFT) 等信號(hào)處理功能。 其中，平均和峰值檢測(cè)可用作基于 FPGA 的內(nèi)部處理功能。其他信號(hào)處理功能可在虹科 Spectrum 的 SBench 6 或第三方軟件中使用。

5.典型的超聲波應(yīng)用

圖 2：使用虹科 Spectrum 的 SBench 6 軟件采集處理 40 kHz 超聲波信號(hào)。多次采集的五個(gè)部分使用帶通濾波器、平均和 FFT功能進(jìn)行處理。

以下超聲波測(cè)距儀的測(cè)量說(shuō)明了虹科 Spectrum 數(shù)字化儀的一些可用功能。該設(shè)備傳輸五個(gè) 40 kHz 聲學(xué)脈沖。該測(cè)試的測(cè)量傳感器是一個(gè) 100 kHz 帶寬的儀表麥克風(fēng)。麥克風(fēng)需要一個(gè) 1 兆歐姆的輸入終端，直流耦合。圖 2 是虹科Spectrum SBench 6 軟件對(duì)此測(cè)量的顯示。數(shù)字化儀是使用多重采集模式設(shè)置的，它采集了五個(gè)超聲波脈沖作為一次測(cè)量。顯示屏頂部的預(yù)覽窗格顯示這些突發(fā)脈沖，這些事件中的每一個(gè)都帶有時(shí)間戳，屏幕左下角的時(shí)間戳表顯示了事件的絕對(duì)時(shí)間和相對(duì)于其他事件的時(shí)間。時(shí)間戳提供了一種測(cè)量脈沖重復(fù)周期的簡(jiǎn)單方法，而多重采集模式則可以輕松比較各個(gè)事件并進(jìn)行其他測(cè)量，例如脈沖持續(xù)時(shí)間、占空比、空間脈沖長(zhǎng)度、峰值振幅和時(shí)間。

左上方顯示的跡線(xiàn)中顯示了第一個(gè)采集脈沖的縮放顯示，包括來(lái)自目標(biāo)的衰減反射。請(qǐng)注意，后緣不平坦， FFT 的視圖顯示了右下象限中采集信號(hào)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。采集信號(hào)中的基線(xiàn)上升是由于低頻雜散拾取。基于此頻譜視圖，將截止頻率為 20 和 50 kHz 的帶通濾波器應(yīng)用于信號(hào)（右上網(wǎng)格），濾波導(dǎo)致信號(hào)的后緣變平。五個(gè)采集的脈沖的平均值顯示在左下角的網(wǎng)格中。每個(gè)視圖的垂直軸都根據(jù)麥克風(fēng)的靈敏度進(jìn)行縮放，并以聲壓（Pascal）為單位讀取。這些視圖提供了有關(guān)所采集信號(hào)的重要量化信息。

此外，信號(hào)頻率以及最大和最小信號(hào)幅度的測(cè)量值顯示在標(biāo)有“信息”的框中。這是可用測(cè)量的一小部分樣本。數(shù)字化儀及其配套軟件提供了大量的測(cè)量和分析工具，以幫助開(kāi)發(fā)超聲波應(yīng)用。