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數(shù)字化儀的超聲波應(yīng)用

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

每個(gè)應(yīng)用中使用的頻率范圍都反映了實(shí)際情況下的平衡。提高工作頻率可以通過(guò)提高分辨率來(lái)檢測(cè)較小的偽影，但較高頻率的信號(hào)無(wú)法穿透那么遠(yuǎn)。超聲波應(yīng)用的常見問(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)用中往往使用非常高的頻率，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)更小的信號(hào)。

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數(shù)字化儀選型

表1：常見超聲波應(yīng)用的特征以及推薦的德思特Spectrum數(shù)字化儀

● 采樣率：

產(chǎn)品選型主要與實(shí)際應(yīng)用中頻率有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，數(shù)字化儀的采樣率需要是應(yīng)用頻率的5到10倍。除非應(yīng)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(shí)分辨率也需要更高，而頻移通常是需要測(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)高于所用頻率的10倍。

● 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。使用較低帶寬將導(dǎo)致較高頻率信號(hào)的衰減，并且可能限制測(cè)量分辨率和精度。

● 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通常可提供更好的信噪比，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)經(jīng)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。

● 其他因素：

**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。**德思特大多數(shù)數(shù)字化儀都提供輸入路徑、配置和終端阻抗的選擇，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可能很重要。數(shù)字化儀接受和處理多個(gè)采集的能力使得多個(gè)信號(hào)突發(fā)或脈沖超聲波的應(yīng)用成為現(xiàn)實(shí)，并且突發(fā)事件之間的死區(qū)時(shí)間最小。分段、門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，德思特?cái)?shù)字化儀還提供信號(hào)處理功能，例如平均、峰值檢測(cè)、濾波和快速傅立葉變換(FFT)。其中，平均和峰值檢測(cè)可作為基于FPGA的內(nèi)部處理功能。其他信號(hào)處理功能可在配套的SBench6軟件平臺(tái)或第三方軟件中使用。

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典型的超聲波應(yīng)用

以下超聲波測(cè)距儀的測(cè)量說(shuō)明了數(shù)字化儀中可用的一些功能。該設(shè)備發(fā)射五個(gè)40 kHz的聲脈沖。本次測(cè)試的測(cè)量傳感器是100 kHz帶寬儀表麥克風(fēng)。麥克風(fēng)需要一個(gè)1兆歐的直流耦合輸入端接。下圖顯示了SBench6軟件對(duì)該測(cè)量結(jié)果的顯示。數(shù)字化儀使用多種采集模式進(jìn)行設(shè)置。它獲取五個(gè)超聲波脈沖作為單次測(cè)量。顯示屏頂部的預(yù)覽窗格顯示了這些突發(fā)脈沖。每個(gè)事件都帶有時(shí)間戳，屏幕左下角的時(shí)間戳表顯示事件的絕對(duì)時(shí)間和相對(duì)于其他事件的時(shí)間。

所采集的第一個(gè)脈沖的縮放顯示（包括來(lái)自目標(biāo)的衰減反射）顯示在左上方顯示的軌跡中。請(qǐng)注意，后緣并不平坦。FFT視圖顯示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。所采集信號(hào)的基線上升是由于低頻雜散拾取造成的。根據(jù)此頻譜視圖，對(duì)信號(hào)應(yīng)用截止頻率為20和50 kHz的帶通濾波器（右上網(wǎng)格）。濾波導(dǎo)致信號(hào)后沿變平。五個(gè)獲取的突發(fā)的平均值顯示在左下網(wǎng)格中。每個(gè)視圖的垂直軸均按麥克風(fēng)的靈敏度進(jìn)行縮放，并以聲壓（帕斯卡）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)量結(jié)果顯示在標(biāo)記為“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多種測(cè)量和分析工具，以幫助超聲波應(yīng)用的開發(fā)。

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用戶案例

**● **中國(guó)上海交通大學(xué)正在研究由預(yù)制微氣泡的慣性空化產(chǎn)生的子泡的特性。為了檢測(cè)慣性空化和散射，傳感器產(chǎn)生的信號(hào)由TS-M4i.4410-x8 130 MS/s、16位數(shù)字化儀采集。然后將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行傅里葉變換和功率譜分析。

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

**● **中國(guó)上海交通大學(xué)傳感科學(xué)與工程學(xué)院，他們正在使用一種閉環(huán)反饋控制器，基于脈沖長(zhǎng)度（PL）的調(diào)節(jié)方法來(lái)提高穩(wěn)定空化（SC）活動(dòng)的時(shí)間穩(wěn)定性。目的是在靶區(qū)實(shí)現(xiàn)可控和理想的SC活性，以提高治療效率和生物安全性。該設(shè)置使用TS-M4i.4410-x8 130 MS/s、16位PCIe數(shù)字化儀來(lái)確定循環(huán)微氣泡的聲發(fā)射特性。數(shù)字化儀采集傳感器產(chǎn)生的信號(hào)，并將數(shù)據(jù)高速傳輸?shù)接?jì)算機(jī)進(jìn)行后續(xù)處理。






審核編輯：劉清