Распространение звука в воздухе

Распространение звука в воздухе

Звуковые колебания в от­личие от электромагнитных могут распространяться только в какой-либо упру­гой среде.

В общем случае скорость распространения звука за­висит от изменений плот­ности упругой среды (ρ) в пространстве и времени,

давления (P) и температуры среды, а также от ло­кальных изменений скорости отдель­ных частиц упругой среды. Скорость распространения ультразвуковых волн в газовой среде (С) определяется следу­ющим выражением:

                                           C=(k× P/ ρ)¹/² = λ× f,

   где P обозначает давление газовой среды;

р — плотность упругой среды;

X и f — соответственно длина волны и частота ультразвуковых колебаний;

к — адиабатический коэффициент для газов.

Для воздуха адиабатический коэф­фициент равен 1,4, а плотность имеет значение 1,29 кг/м³ при давлении 1013 гПа.

Так как плотность воздуха уменьша­ется с увеличением температуры, то и скорость распространения звука в воз­духе (С_в) является зависимым от тем­пературы параметром. Для воздуха эта зависимость может быть представлена в следующем виде:

                                                        С_В=с₀×(1+ T/273)1/²,

где с₀ = 331,6 м/с (скорость распро­странения звука в воздухе при T = 0°C), а T — текущее значение температуры воздуха, представленное в градусах Цельсия.

Относительное изменение скорости распространения звука, как следует из этой формулы, составляет примерно 0,17% на один градус. В табл. 1 пред­ставлена зависимость скорости рас­пространения звука в воздухе от температуры.

Скорость распростра­нения звука в воздушной среде существенно зави­сит и от давления возду­ха: c ростом давления она увеличивается, а макси­мальное значение отно­сительного изменения скорости звука во всём диапазоне колебания ат­мосферного давления на уровне моря составляет примерно 5%.

На рис. 1 представлена зависимость скорости звука от температуры и давления воздуха.

Таблица 1. Зависимость скорости распространения звука в воздухе от температуры

Кроме того, скорость звука зависит от состава воздуха, например от процентного содержания CO₂ в воздухе, и относительной влажности.

Влияние относи­тельной влажности является меньшим, чем влияние температуры или давле­ния, и вносит максимальное дополни­тельное изменение скорости звука (сравниваются скорости в сухом и влажном насыщенном воздухе) около 2% [1].

Мембранный преобразователь

 

Упругая мембрана, выполненная, например, из металла, возбуждается c собственным циклом колебаний пьезокерамическим элементом (рис. 4).

Основные характеристики:

• широкая диаграмма направленности излучения;

• относительно низкая частота;

• низкий уровень звуковых сигналов;

• узкая полоса пропускания (резо­нансная система);

• большое время затухания;

• открытая конструкция (высокое на­пряжение).

Электронная часть датчика

Для того чтобы ультразвуковой пре­образователь был способен восприни­мать входные воздействия и представ­лять их в виде, приемлемом для даль­нейшей обработки, ему необходимо добавить некоторые дополнительные компоненты; только после этого полу­ченное интегрированное устройство можно назвать датчиком.

Основными компонентами элек­тронной части ультразвуковых датчи­ков фирмы Pepperl+Fuchs являются блоки излучателя и приёмного усили­теля (рис. 9).

Блок излучателя

Излучатель включает в себя элек­тронный ключ, генератор колебаний и усилительный выходной каскад, с вы­хода которого выдаётся напряжение 250 В, требуемое для возбуждения пье­зокерамического элемента. Генератор предварительно настраивается на резо­нансную частоту ультразвукового пре­образователя. Резонансная частота зависит от типа датчика: она лежит в ди­апазоне до 70 кГц для преобразователей с зоной срабатывания до 6 м и в диапа­зоне до 170 кГц для преобразователей с зоной срабатывания 1 м. Электронный ключ включает и выключает генератор в зависимости от длительности им­пульса запуска, тем самым формиру­ются последовательности импульсов излучения разной длины.

Блок приёмного усилителя

Приёмник состоит из ограничителя, усилителя с регулируемым коэффици­ентом усиления, селективного усили­теля, выходного усилительного каскада и компаратора.

Сигнал принимаемый от ультразвукового преобразователя, может иметь амплитуду в диапазоне от нескольких вольт. Для обеспечения возможности дальнейшей обработки ограничитель отсекает амплитуды принимаемых сигналов до значений, не превышаю­щих +0,7 В; это также защищает уси­литель от слишком высокого напря­жения. Сигналы, отражённые от фо­на, подавляются на усилителе с регу­лируемым коэффициентом усиления. Этот же усилитель совместно со схемой управления усилением препятст­вует уменьшению амплитуды отра­жённого сигнала при увеличении рас­стояния между измеряемым объектом и датчиком. Назначение селективного усилителя заключается в том, чтобы отфильтро­вывать случайные (паразитные, побоч­ные) ультразвуковые сигналы и пропу­скать к дальнейшей обработке только полезный сигнал. Этот сигнал демодулируется, детектируется и только затем полученная огибающая усиливается.

Рис. 9. Блок-схемы излучателя и приёмного усилителя

Амплитуда огибающей сравнивается с предварительно установленным поро­гом на компараторе; в случае когда по­роговое напряжение превышено, на выходе возникает импульс, равный по амплитуде напряжению питания, и пе­редаётся для обработки в электронную схему.

Блок обработки и управления

Кроме излучателя и приёмника, со­временный ультразвуковой датчик должен иметь в своём составе электронную схему обработки сигнала и управления распределением времен­ных интервалов и функционированием выходного каскада датчика (рис. 10). Так как электронная часть датчика должна решать сложные задачи управ­ления, предпочтительнее применять микропроцессорную схему. Дополни­тельным преимуществом в данном слу­чае является то, что алгоритм обработ­ки может быть не жёстко установлен­ным, а гибким и реализованным в виде программы. Одна и та же микропро­цессорная схема может применяться для управления разнообразными вы­ходными каскадами или выполнять об­работку сигналов по разным алгорит­мам.

 

 

 

 

Рис. 10. Блок-схема ультразвукового датчика

 

Функциями, которые выполняются встроенным контроллером, обычно яв­ляются генерирование тактовой часто­ты, управление длительностью излуча­емого импульса, определение времени распространения отражённого сигна­ла, распознавание сигналов помехового происхождения, управление выход­ным каскадом и самодиагностика. Кроме того, контроллер может уста­навливать связь с центральным ком­пьютером через соответствующий ин­терфейс.

Конструктивное исполнение

Многие ультразвуковые датчики фирмы Pepperl+Fuchs имеют традици­онную для данного типа изделий конструкцию. Исключение составляют датчики в прямоугольном корпусе типа VariKont.

Датчик в прямоугольном корпусе со­стоит из трёх частей: узла измерительного преобразователя с аналого­выми каскадами излучателя и приёмника, узла с контролле­ром и выходным каскадом, ос­нования с терминальным отсе­ком для подключения электри­ческих входных и выходных сиг­налов. Часть корпуса, в которой размещён ультразвуковой преобразователь, может быть установлена под разными углами относительно ос­нования корпуса, что позволяет при жё­стко зафиксированном основании кон­тролировать различные направления в пространстве. Ультразвуковой преобра­зователь встроен в корпус датчика и герметизизирован пенополиуретаном. Разъёмное соединение между основной частью корпуса, которая вмещает всю электронику, и основанием позволяет осуществлять ремонт или замену узлов датчика без его демонтажа.

 

Основные принципы работы

Преобразователь посылает пачку ультразвуковых импульсов и формиру­ет напряжении

соответствующее при­нятому отражённому сигналу. Встроен­ный контроллер вычисляет расстояние по

времени распространения эхо-сиг­нала и скорости звука. Длительность излучаемого импульса и время затуха­ния колебаний (переходных процес­сов) ультразвукового преобразователя определяют размер «слепой» зоны, в которой датчик не может обнаружить объект.

 

                            Рис.12. Зона обнаружения ультразвукового датчика

 Встроен­ный контроллер вычисляет расстояние по

времени распространения эхо-сиг­нала и скорости звука. Длительность излучаемого импульса и время затуха­ния колебаний (переходных процес­сов) ультразвукового преобразователя определяют размер «слепой» зоны, в которой датчик не может обнаружить объект.

Частота ультразвуковых колебаний лежит в диапазоне от 65 до 400 кГц в за­висимости от типа датчика; частота по­вторения пачек импульсов находится между 14 и 140 Гц.

Важнейшей характеристикой ультра­звукового датчика является размер зо­ны обнаружения (рис. 12). Зона огра­ничена минимальным и максималь­ным расстояниями обнаружения, зна­чения которых зависят от параметров преобразователя. Максимальное рас­стояние обнаружения указывается в коде маркировки датчика.

В зависимости от используемых ме­тодов различают несколько типов ультразвуковых датчиков, основными из которых являются датчики, осуще­ствляющие измерение времени, за­трачиваемого звуком на распростра­нение до измеряемого объекта и об­ратно (непосредственное обнаруже­ние), и датчики, выполняющие про­верку приёма переданного сигнала (ретрорефлективный, или рефлектор­ный метод).

 

Ретрорефлективный метод

Данный метод является наиболее ус­тойчивым к помехам. Контролируется пространство между датчиком и стационарным рефлектором (рис. 14). При­ёмник улавливает ультразвуковой сиг­нал, отражённый от рефлектора. При пересечении луча объектом происходит срабатывание датчика. Почти все дат­чики фирмы Pepperl+Fuchs, работаю­щие по такому методу, обладают функ­цией регулирования диапазона сраба­тывания и снабжены двумя выходами и двумя светодиодными индикаторами.

Посредством этого метода также воз­можно определять объекты из звукопо­глощающих материалов.

Рис. 13. Принцип непосредственного обнаружения объекта датчиком

с раздельными излучателем и приёмником

Метод прерывания луча

Этот метод характеризуется большой дальностью обнаружения, так как в дан­ном случае для определения местополо­жения объекта ультразвуковая волна должна пройти расстояние между излу­чателем и приёмником только в одном направлении (рис. 15). Помехоустойчи­вость этого метода лучше, чем у метода непосредственного обнаружения, пото­му что обрабатывается излучённый, а не отражённый ультразвуковой импульс.

Однако реализация метода прерыва­ния луча требует более высоких затрат.

Датчики, работающие по прерыванию луча, иногда называют барьерными. Они более предпочтительны для ис­пользования внутри помещений по сравнению с датчиками, реализующими метод непосредственного обнаружения.

Сравнение методов

Подробней остановимся на сравне­нии ультразвуковых датчиков, работающих на основе ретрорефлективного метода и метода прерывания луча. В обоих случаях датчики оперируют с импульсом запуска определённой дли­тельности, по которому излучатель ге­нерирует пачку импульсов и в детекто­ре формируется управляющее напря­жение.

Рис. 14. Принцип обнаружения объекта по ретрорефлективному методу

Рис. 15. Принцип обнаружения объекта по методу прерывания луча

 

Ретрорефлективный датчик посто­янно контролирует расстояние между ультразвуковым излучателем и ре­флектором с фиксированным поло­жением. Электронная схема обработ­ки и управления (встроенный кон­троллер) измеряет время прохожде­ния сигнала. В случае когда соответ­ствующее измеренному времени рас­стояние оказывается отличным от фиксированного расстояния до ре­флектора, выходной электронный ключ переключается. Из-за неизбеж­ных изменений в воздушной среде скорость звука может колебаться в определённых пределах, поэтому при измерении времени необходимо вво­дить соответствующую внешним ус­ловиям поправку (t_r ± dt), которая за­тем учитывается при определении расстояний до рефлектора или объек­та (рис. 14).

При определении частоты повторе­ния импульсов (f) рассматриваются три возможных случая:

• объект обнаружен;

• объект не обнаружен;

• эхо-сигнал не поступает в детектор.
В первом случае частота следования импульсов равна

f= 1/(2×t₀),

где t₀ — время прохождения ультра­звукового импульса от датчика до объ­екта.

Во втором случае частота следования импульсов меньше, чем в первом слу­чае, и вычисляется по удвоенному вре­мени прохождения ультразвукового импульса от датчика до рефлектора (t_r):

f= 1/(2×t_r).

Третий случай возможен в ситуаци­ях, когда объект обладает свойствами поглощения звука или имеет наклон­ную поверхность, которая отражает ультразвуковую волну в направлении, отличном от направления на детектор. В этом случае спустя время (t_r + dt), ко­торое соответствует максимальному времени прохождения ультразвукового импульса до рефлектора, излучается очередной импульс, как если бы объект отсутствовал в зоне обнаружения дат­чика:

f=1/(2×(t_r+dt)).

Одним из недостатков ретрорефлек-тивного метода является то, что ультра­звуковая волна должна пройти от датчика до рефлектора (объекта) и обрат­но, что в два раза увеличивает время отклика по сравнению с системами, основанными на методе прерывания (ослабления) луча ультразвука (барьер­ные системы). Другим недостатком яв­ляется то, что из-за высокого уровня затухания волны на двойном отрезке пути данный метод применим только при относительно небольших расстоя­ниях между датчиком и рефлектором.

При реализации метода прерывания луча детектор и излучатель располага­ются строго друг против друга. Вслед­ствие вдвое меньшего расстояния, ко­торое проходит ультразвуковой им­пульс, и существенно меньших потерь на распространение максимальное расстояние обнаружения для данного объекта в 2,5… 3 раза больше, чем для ретрорефлективного.

Минимальное расстояние обнаруже­ния для метода прерывания луча зави­сит от времени реакции преобразовате­ля и связанной с ним электронной час­ти и находится в пределах нескольких сантиметров.

Время прохождения луча измеряется с момента излучения ультразвукового импульса. Электронная схема обработки и управления анализирует поступа­ющие импульсы только в пределах вре­мени распространения t_E, которое со­ответствует расстоянию между излуча­телем и приёмником (рис. 15). Если луч прерывается, то последующие им­пульсы не регистрируются приёмни­ком и электронная схема переключает выходной каскад датчика, после чего новый цикл измерения инициируется через промежуток времени (t_E + dt). Если ультразвуковой луч не прерывает­ся, то новый измерительный цикл на­чинается через промежуток времени t_E. Так что независимо от того, прерывает­ся луч или нет, частота следования им­пульсов (F) сохраняется почти посто­янной:

F=1/(t_E+dt)≈1/t_E.

Для того чтобы подавить помехи, электронная схема обработки и управ­ления инициирует задержку переклю­чения дискретного выхода на время, соответствующее нескольким полез­ным отражённым сигналам. Это повы­шает помехоустойчивость датчика, но снижает максимальную частоту пере­ключения барьерной системы.

Для дополнительного подавления помех электронная схема обработки изменяет длительность синхронизиру­ющих импульсов в зависимости от рас стояния между излучателем и приём­ником.

Таблица 2. Основные технические данные ультразвуковых датчиков серии 18GK c одним
дискретным выходом

 

 

Таблица 3. Основные технические данные ультразвуковых датчиков серии 30GМ c двумя комплементарными дискретными выходами

Таблица 4. Основные технические данные ультразвуковых датчиков с двумя дискретными выходами в корпусе типа VariKont

 

Основные технические данные барь­ерных ультразвуковых датчиков фирмы Pepperl+Fuchs представлены в табли­цах 2, 3, 4, 5, 6.

Например, датчик UBE4000-30GM-SA2-V1 способен функционировать в запылённой атмосфере, надёжно опре­делять наличие тонких прозрачных плёнок и хлопьевидных материалов (стиропор, целлюлоза, мелкозернис­тые синтетические материалы). Чувст­вительность датчика регулируется встроенным потенциометром, юсти­ровка контролируется по встроенным светодиодным индикаторам. Для дис­танционной регулировки диапазона чувствительности возможно подклю­чение внешнего потенциометра FP100 к излучателю.

Интересным примерами использо­вания метода ослабления ультразвуко­вых волн является решение на его ос­нове задач выявления сдвоенных лис­тов бумаги, контроля за положением наклеек и мест стыка. Серия устройств UDB-18GM (табл. 7) специально раз­работана для подобных применений (рис. 16), которые востребованы в раз­личном оборудовании, например:

• в печатных станках выявление сдав­ленных листов защищает сложную механику от повреждений, вызванных застреванием второго листа в станке;

• в аппаратах, подсчитывающих эти­кетки, для проверки факта нанесе­ния клейких плёнок на материал и подсчёта готовых этикеток;

• в оборудовании обработки коррес­понденции для проверки полной разгрузки открытых конвертов;

• в аппаратах, подсчитывающих кви­танции, контрольные талоны, бан­ковские расписки и т. п.;

• в упаковочных машинах для контро­ля положения стыка при закрепле­нии алюминиевой упаковочной плёнки, а также для определения скорости хода станка;

• в системах сортировки бумаги и т.д.
Ультразвуковые системы на базе

UDB-18GM способны обнаруживать металлизированные, глянцевые, про­зрачные поверхности и могут приме­няться в тех случаях, когда ёмкостные и оптические системы достигают преде­лов своих возможностей. Простая наст­ройка на различные материалы и тол­щины (TEACH-IN), а также автомати­ческое регулирование порога переклю­чения при изменении условий окружающей среды упрощают подготовку UDB-18GM к эксплуатации и расши­ряют круг возможных применений.

В ближайших номерах журнала «СТА» планируется, опираясь на опи­санные в данной статье физические принципы работы и реализуемые мето­ды, продолжить рассказ об ультразву­ковых датчиках для систем управления технологическими процессами. •

 

Таблица 5. Основные технические данные ультразвуковых датчиков серии F64 c диапазоном обнаружения до 500 мм и одним дискретным выходом

Таблица 6. Основные технические данные ультразвуковых датчиков серии F64 c диапазоном обнаружения до 1500 мм и одним дискретным выходом

Таблица 7. Основные технические данные устройств серии UDB-18GM

 

 

Рис. 16. Схема установки излучателя и приёмника системы на базе устройства UDB-18GM35-3E2 при выявлении сдвоенных листов бумаги.

 

Распространение звука в воздухе

Звуковые колебания в от­личие от электромагнитных могут распространяться только в какой-либо упру­гой среде.

В общем случае скорость распространения звука за­висит от изменений плот­ности упругой среды (ρ) в пространстве и времени,

давления (P) и температуры среды, а также от ло­кальных изменений скорости отдель­ных частиц упругой среды. Скорость распространения ультразвуковых волн в газовой среде (С) определяется следу­ющим выражением:

                                           C=(k× P/ ρ)¹/² = λ× f,

   где P обозначает давление газовой среды;

р — плотность упругой среды;

X и f — соответственно длина волны и частота ультразвуковых колебаний;

к — адиабатический коэффициент для газов.

Для воздуха адиабатический коэф­фициент равен 1,4, а плотность имеет значение 1,29 кг/м³ при давлении 1013 гПа.

Так как плотность воздуха уменьша­ется с увеличением температуры, то и скорость распространения звука в воз­духе (С_в) является зависимым от тем­пературы параметром. Для воздуха эта зависимость может быть представлена в следующем виде:

                                                        С_В=с₀×(1+ T/273)1/²,

где с₀ = 331,6 м/с (скорость распро­странения звука в воздухе при T = 0°C), а T — текущее значение температуры воздуха, представленное в градусах Цельсия.

Относительное изменение скорости распространения звука, как следует из этой формулы, составляет примерно 0,17% на один градус. В табл. 1 пред­ставлена зависимость скорости рас­пространения звука в воздухе от температуры.

Скорость распростра­нения звука в воздушной среде существенно зави­сит и от давления возду­ха: c ростом давления она увеличивается, а макси­мальное значение отно­сительного изменения скорости звука во всём диапазоне колебания ат­мосферного давления на уровне моря составляет примерно 5%.

На рис. 1 представлена зависимость скорости звука от температуры и давления воздуха.

Таблица 1. Зависимость скорости распространения звука в воздухе от температуры

Кроме того, скорость звука зависит от состава воздуха, например от процентного содержания CO₂ в воздухе, и относительной влажности.

Влияние относи­тельной влажности является меньшим, чем влияние температуры или давле­ния, и вносит максимальное дополни­тельное изменение скорости звука (сравниваются скорости в сухом и влажном насыщенном воздухе) около 2% [1].