超聲波是一種頻率大于人類聽覺范圍上限的聲學(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(yuǎn)。超聲應(yīng)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(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)字化儀的動態(tài)范圍也可以讓您檢測到更小的信號。

表 1：常見超聲波應(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移通常是需要測量的信號周期的一小部分。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)超過所用頻率的 10 倍。

2.帶寬

數(shù)字化儀帶寬應(yīng)超過應(yīng)用中使用的最高頻率至少兩倍。使用較低的帶寬會導(dǎo)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(tài)范圍

增加數(shù)字化儀的動態(tài)范圍（位數(shù)）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(tǒng)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(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、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(nèi)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(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。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。

以下超聲波測距儀的測量說明了虹科 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。該測試的測量傳感器是一個(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 軟件對此測量的顯示。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時(shí)間和相對于其他事件的時(shí)間。時(shí)間戳提供了一種測量脈沖重復(fù)周期的簡單方法，而多重采集模式則可以輕松比較各個(gè)事件并進(jìn)行其他測量，例如脈沖持續(xù)時(shí)間、占空比、空間脈沖長度、峰值振幅和時(shí)間。

左上方顯示的跡線中顯示了第一個(gè)采集脈沖的縮放顯示，包括來自目標(biāo)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(yīng)用于信號（右上網(wǎng)格），濾波導(dǎo)致信號的后緣變平。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(biāo)有“信息”的框中。這是可用測量的一小部分樣本。數(shù)字化儀及其配套軟件提供了大量的測量和分析工具，以幫助開發(fā)超聲波應(yīng)用。