在博文 把声音转换成”激光“ 中激发了我的一个想法，制作 一个超声波直线声音发送器，用于课堂（信号与系统）实验演示，从而对：信号的调制与解调、非线性系统等概念进行说明。

  在制作超声阵列的过程中，为了提高发射阵列的性能，希望能够对组成阵列的超声波发射传感器进行性能测试：

• 确保它们都有相同的特性：谐振频率为40kHz；
• 发送的效率（反过来，对应的阻抗）相同；
• 对于发送 和接收两种传感器进行验证它们之间的差异性；

  因此需要对超声波传感器进行测试。

  APPLE视频工程文件所在目录

D:\MooC\Apple\2022\超声波发送板\如何测了超声波传感器特性

  如何测量超声传感器特性？

  解决超声发射板器件特性测量。

• 利用NanoVNA 在超声波工作频率范围内， 测量等效RLC参数， 可以反映器件的电机性能。
• 通过测量，可以看到发送和接收传感器所工作的谐振频率不同；
• 制作超声波发送板，需要选择串联谐振频率为40kHz 的超声波发送传感器；

• Ultraino: DIY ultrasonic airborne phased-array 64 channels
• Acoustic Virtual Vortices with Tunable Orbital Angular Momentum for Trapping of Mie Particles
• 超声波400ST100,R100数据手册

  在Youtube上看到短视频 Turning Sound Into a Laser ， 作者介绍了他制作的超声波定向声音传送小装置。 其中原理涉及到声音信号的调制与解调、 非线性系统等概念

  所以我准备了一些超声波传感器， 制作一个类似的实验装置用于课堂演示。

  在手边存在着不同尺寸， 不同标示的传感器。 其中最大两类区别，就是发送与接收传感器。

  为了确保能够在制作过程中，所获得超声波阵列板质量可靠，因此需要对于制作中的传感器进行参数测量，

  以保证这些传感器参数相对一致，使得所形成的超声波波束更加聚集。

  那么如何测量得到超声波传感器呢？

  我们通常 使用的超声波传感器都是基于压电陶瓷特性， 完成声音与电信号的转换。

  这里给出了传感器的内部结构。 发射和接收传感器在结构上大体一样。

  根据压电陶瓷一般特性，它可以使用一个二阶动态系统来近似。 存在一个谐振频率， 由压电陶瓷的弹性系数k和质量M决定。

  在谐振频率处， 压电陶瓷会产生最大的振幅。 因此用于超声波发射的传感器， 它的驱动信号的频率应该等于传感器的谐振频率。

  由于传感器中的压电陶瓷电极之间存在寄生电容， 所以系统具有两个谐振点， 一个是串联电容谐振频率， 对应传感器阻抗最低； 一个是并联谐振频率， 在同样的振幅下，对应电极谐振电压最大。

  在超声波传感器中存在发射和接收两种传感器。 这是400SR100，400SRT100接收和发送传感器。

  这是在它的数据手册中给出的发送和接收传感器的幅频特性 和相频特性。

截屏保存批注过程。

  上面的红色实线为接收传感器幅频特性， 【】下面蓝色实线是发送传感器的幅频特性。【】 可以看到发送传感器是工作在串联谐振频率点。 考虑到输出阻抗，【】接受传感器并没有工作在并联谐振频率上， 【】而是比串联谐振频率率高一些。

  从前面介绍可以看出， 超声波传感器不是一个电阻负载， 它的阻抗是带有感抗、容抗的复阻抗。

  下面使用电路网络矢量阻抗分析仪： NanoVNA 测量超声波传感器的阻抗。

  设置NanoVNA测量中心频率为40kHz， 左右频移5kHz。

  测量显示传感器的串联RLC数值。 下图显示了发送传感器测量结果。

截屏批注

  可以看到在40kHz处， 传感器呈现电阻特性电阻大约为300欧姆， 电感为0。

  这是另外一个发送传感器测量结果， 可以看到他们对应数值很接近。

  下面是接收传感器对应的测量结果。 可以看到在40kHz 左右， 已经接近一是传感器的并联谐振。 测试对应的电阻阻抗在4000欧姆左右。

  从这说明，我们在使用超声波传感器制作发射板， 需要选择发射传感器。 在相同的驱动电压下， 传感器所获得驱动功率最大。

  从超声波发射传感器阻抗曲线来看， 在40kHz 左右1kHz范围内， 传感器电抗都在1k欧姆以下。 所以该传感器工作带宽大致为2kHz左右。

  通过上述实验， 可以看到对于超声波中的核心换能器， 压电陶瓷， 可以将其等效成RLC电路进行分析。

参考文献： Pyhsically Similar Systems - A History of the Concept

  我们这种把遵循相同数学规律的不同物理系统称为相似物理系统， 这是我们研究实际系统常用的方法。

  这种分析方法最早可以追溯到十七世纪， 牛顿力学系统建立的时代。

  随着人们对于系统建模和数据分析工具不断增加， 利用系统的相似性来分析系统特性成为重要的分析方法。

  为了更好的使用超声波传感器， 需要对它等小的电气特性进行测量。 通过对比看到了超声发射器与接收器在谐振阻抗方面的差异。

  如果你手边有一个超声波发射器， 同时又有一个普通的数字万用表？ 你是否可以使用它们粗略获得超声波发射传感器的特性呢？

  本文针对超声波传感器的测量方法，探讨了使用NanoVNA测量过程， 对比发射和接收传感器在特性方面的不同。 对于整个过程编写了APPLE脚本。

■ 相关文献链接:

• 把声音转换成”激光“
• 超声波信标导航
• Ultraino: DIY ultrasonic airborne phased-array 64 channels
• Acoustic Virtual Vortices with Tunable Orbital Angular Momentum for Trapping of Mie Particles
• 超声波400ST100,R100数据手册
• Turning Sound Into a Laser
• NanoVNA
• Pyhsically Similar Systems - A History of the Concept

● 相关图表链接:

• 图1.1.1 超声波测距以及对应的传感器
• 图1.1.2 使用网络矢量仪测试超声波探头的阻抗
• 图2.1.1 存在两者传感器：发送和接收
• 图2.1.2 发送一是接收传感器
• 图2.1.3 超声波阵列
• 图2.1.4 超声波悬浮系统
• 图2.2.1 超声波传感器内部结构
• 图2.2.2 超声波传感器内部结构
• 图2.2.3 超声波传感器建模
• 图2.2.4 压电陶瓷的振幅与频率之间的关系
• 图2.2.5 压电陶瓷的幅频特性和相频特性
• 图2.2.6 在超声波传感器中存在发射和接收两种传感器
• 图2.2.7 接收和发送传感器相位和幅度特性
• 图2.3.1 测量超声波传感器阻抗
• 图2.3.2 NanoVNA
• 图2.3.3 在面包板上测量超声波传感器
• 图2.3.4 测量得到的复阻抗
• 图2.3.5 测量得到的复阻抗
• 图2.3.6 测量接收传感器对应的复阻抗
• 图2.3.7 工作频率带宽
• 图2.4.1 超声传感器等效LCR电路
• 图A2.4.3 数学模型
• 图2.4.3 牛顿与相似系统
• 图2.4.4 数学模型
• 图2.5.1 超声波发射器，接收器
• 图2.5.2 数字万用表