超聲波是一種頻率大于人類聽覺范圍上限的聲學聲壓波。超聲波設備的工作頻率從 20 kHz 到幾千兆赫茲。表 1 總結了一系列常見的超聲波應用的特性。

每個應用中使用的頻率范圍反映了工程權衡。 增加工作頻率可以通過增加分辨率來檢測較小的偽影，但較高頻率的信號不會穿透那么遠。超聲應用的常見問題是信號衰減，它與信號頻率成反比。因此，在表面研究應用中傾向于使用非常高的頻率，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到更小的信號。

表 1：常見超聲波應用的特性以及推薦的 Spectrum 數字化儀

1.采樣率

產品選擇的基礎主要與應用中使用的頻率有關。通常，數字化儀的采樣率需要是應用頻率的 5 到 10 倍。如果應用程序使用多普勒頻移，即使頻率可能沒有那么高，時間分辨率也需要更高，因為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遠超過所用頻率的 10 倍。

2.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。使用較低的帶寬會導致較高頻率信號的衰減，并可能限制測量分辨率和精度。

3.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通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的原因。

4.其他注意事項

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。許多虹科Spectrum 數字化儀都提供輸入路徑、配置和端接阻抗選擇，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很重要。使用多個信號突發或脈沖超聲波的應用受益于數字化儀接受和處理多次采集的能力，并且突發事件之間的死區時間最短。多重（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，虹科Spectrum 數字化儀還提供平均、峰值檢測、濾波和快速傅立葉變換 (FFT) 等信號處理功能。 其中，平均和峰值檢測可用作基于 FPGA 的內部處理功能。其他信號處理功能可在虹科 Spectrum 的 SBench 6 或第三方軟件中使用。

5.典型的超聲波應用

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

以下超聲波測距儀的測量說明了虹科 Spectrum 數字化儀的一些可用功能。該設備傳輸五個 40 kHz 聲學脈沖。該測試的測量傳感器是一個 100 kHz 帶寬的儀表麥克風。麥克風需要一個 1 兆歐姆的輸入終端，直流耦合。圖 2 是虹科Spectrum SBench 6 軟件對此測量的顯示。數字化儀是使用多重采集模式設置的，它采集了五個超聲波脈沖作為一次測量。顯示屏頂部的預覽窗格顯示這些突發脈沖，這些事件中的每一個都帶有時間戳，屏幕左下角的時間戳表顯示了事件的絕對時間和相對于其他事件的時間。時間戳提供了一種測量脈沖重復周期的簡單方法，而多重采集模式則可以輕松比較各個事件并進行其他測量，例如脈沖持續時間、占空比、空間脈沖長度、峰值振幅和時間。

左上方顯示的跡線中顯示了第一個采集脈沖的縮放顯示，包括來自目標的衰減反射。請注意，后緣不平坦， FFT 的視圖顯示了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。采集信號中的基線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 的帶通濾波器應用于信號（右上網格），濾波導致信號的后緣變平。五個采集的脈沖的平均值顯示在左下角的網格中。每個視圖的垂直軸都根據麥克風的靈敏度進行縮放，并以聲壓（Pascal）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值顯示在標有“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了大量的測量和分析工具，以幫助開發超聲波應用。