Лучевой характер распространения ультразвука можно использовать для определения расстояния до объекта. Отраженный от объекта ультразвуковой луч возвращается обратно к излучателю. Если рядом с излучателем установить приемник, то по запаздыванию принятого сигнала можно вычислить расстояние до объекта.
Поскольку пьезоэлектрический элемент способен как принимать сигнал, так и передавать его, обычно используют один приемопередающий преобразователь. Одной из важнейших характеристик приемопередающих преобразователей является их направленность, которая определяет чувствительность ультразвукового преобразователя. Высокая направленность указывает на то, что при передаче сигнала акустическая мощность преобразователя будет сосредоточена в небольшой области, а при приеме- на высокую разрешающую способность.
При измерениях расстояния до объекта с помощью ультразвука применяют так называемые эхо-импульсные устройства. Самые распространенные из них- это эхолот, сигнализаторы проникновения на объект, датчики уровня, датчики опасного сближения, устанавливаемые на автомобилях.
Дальность действия любого эхо-импульсного устройства зависит от частоты излучаемого преобразователем ультразвука, а также его мощности. Выбор частоты ультразвука определяется конкретным применением эхо-импульсного устройства. Следует учитывать, что затухание ультразвуковой волны возрастает при повышении частоты ультразвука. Например, в воздухе на расстоянии 10 м. акустическое давление сигнала на частоте 20 кГц падает на половину по сравнению с его начальным значением, а на частоте 50 кГц величина акустического давления уменьшается на половину уже на расстоянии 3 м. Вместе с тем, для получения лучшей направленности сигнала и разрешающей способности по определению объекта частота должна быть как можно выше. Кроме того, определение объекта будет ненадежным, если отражающая поверхность объекта имеет размер соизмеримый с длиной волны сигнала.
Для эхолокации в воде применяется эхолот- прибор, который используется для измерения расстояния от надводного судна до дна моря ( океана, реки, озера ). На основе данных, полученных от эхолота, можно составить карту рельефа дна любого водного бассейна, а также выявить косяки рыб.
Существует множество разновидностей эхолота, который в зависимости от конкретных задач может иметь несколько ультразвуковых преобразователей, работающих на разной частоте. В океанографии частота эхолота может соответствовать звуковому диапазону от нескольких герц до 1 кГц. В военной гидрофонии частота эхолота находится в пределах 1 кГц- 100 кГц. Для поиска косяков рыб используют частоты 50 кГц-1 МГц.
В простом портативном эхолоте применяется ультразвуковой пьезокерамический преобразователь, изготовленный из цирконата-титаната-свинца (ЦТС). Преобразователь поочередно работает как вибратор и как приемник. Выбор режима работы современного эхолота осуществляет цифровой микропроцессор, под управлением которого ультразвуковой преобразователь посылает акустический импульс ( частота сигнала 25-40 кГц ) вертикально вниз на дно водного пространства. Отраженный от дна акустический импульс ( эхо-сигнал ) принимается тем же ультразвуковым преобразователем, работающим в режиме приемника, и принятый сигнал преобразуется микропроцессором для вывода результата измерения на цифровой или аналоговый дисплей. Точность измерения определяется шириной ультразвукового луча, и чем тоньше луч, тем выше точность измерений.
Эхолот с раздельными головками передатчика и приемника
Эхолот с одной головкой приема-передачи
Самый тонкий луч портативных эхолотов имеет расходимость порядка 10 °, что дает точность измерений ~10 см для глубин до 1 км и ~100 м. для глубин до 6 км. Однако тонкий луч не позволяет видеть сразу несколько подводных объектов.
Для расширения обзора используют широкополосные лучи, расходимость которых составляет порядка 50°. Угол расходимости луча определяется площадью поперечного сечения излучателя ультразвука. У стандартных излучателей в виде пьезокерамического цилиндра, чем больше диаметр цилиндра, тем меньше расходимость луча. Для эхолотов оптимальное отношение толщины к диаметру пьезокерамического цилиндра равно примерно 0,4.
Некоторые модели эхолотов сканируют подводное пространство несколькими ультразвуковыми лучами, что позволяет создавать на цифровом мониторе эхолота трехмерное изображение подводного мира.
Многолучевой эхолот
Предельная глубина сканирования эхолота определяется частотой и мощностью его ультразвукового луча. Чем ниже частота ультразвука, тем глубже он проникнет в воду, но при этом на экране монитора эхолота можно обнаружить лишь крупные подводные объекты. Чем выше частота ультразвука, тем чувствительнее эхолот к мелким подводным объектам, но глубина сканирования заметно сокращается. В портативных эхолотах рыбаков-любителей частота ультразвука составляет ~200 кГц, что является оптимальным значением для сканирования небольших по глубине рек или озер ( до 100 м.). При такой частоте на экране эхолота регистрируются как крупные рыбы, так и мелкие. Конечно, при одинаковой частоте луча более мощный луч проникнет глубже, но для генерации мощного ультразвука потребуется мощный источник питания, что не всегда приемлемо, особенно если речь идет о портативных приборах, работающих от аккумулятора на 12 В, а то и от пальчиковых батареек. Кроме того, в мощном ультразвуковом поле возникает кавитация, которая ухудшает условия сканирования. Поэтому для получения более полной информации из водных глубин лучше использовать два луча, имеющих разную частоту и угол расходимости.
Для надежной работы эхолота особое значение имеет конструкция его ультразвукового преобразователя. На рисунке ниже показан один из вариантов исполнения приемопередающей головки эхолота.
Задняя поверхность пьезокерамического цилиндра должна иметь как можно меньшую акустическую нагрузку и быть изолированной от контакта с водой. Для этой цели хорошо подходит пористая резина, которая является акустическим эквивалентом воздуха. Защитный слой должен иметь акустический импеданс, обеспечивающий максимальную передачу ультразвука в воду и из воды.
