Nghiên cứu thiết kế máy đo sâu hồi tiếp âm

..

bộ giáo dục và đào tạo
trờng đại học bách khoa hà nội
---------------------------------------

luận văn thạc sĩ khoa học

nghiên cứu thiết kế máy đo sâu
hồi tiếp âm

ngành: điện tử-viễn thông
m số: 544
ngô xuân thắng

Ngời hớng dẫn khoa học : TS. nguyễn nam quân

Hà Nội 2007


3

Lời cam đoan

Tôi xin cam đoan đây là Luận văn đợc nghiên cứu với tinh thần nghiêm
túc và đợc sự hớng dẫn tận tình của thầy, TS nguyễn nam quân.
Những báo cáo trong bài Luận văn thạc sĩ này là hoàn toàn trung thực.
Các bản thiết kế phục vụ nghiên cứu hoàn toàn là do tôi thực hiện. Tôi xin
hoàn toàn chịu trách nhiệm về những báo cáo của mình.

Học viên thực hiện

NGÔ XUÂN THắNG


4

mục lục
Trang
Trang phụ bìa

1

Lời cam đoan

3

Mục lục

4

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt

8

Danh mục các bảng

9

Danh mục các hình vẽ, đồ thị

10

mở đầu

12

Chơng 1 - Tổng quan nguyên lý sử dụng sóng

17

siêu âm trong công tác đo khoảng cách
1.1. Lý thuyết chung về sóng siêu âm

18

1.2. Nguồn phát sóng siêu âm

18

1.2.1. Sự liên kết lỡng cực

18

1.2.2. Tần số dao động tự nhiên

19

1.2.3. Các vật liệu áp điện

19

1.3. Cấu trúc đầu dò

20

1.3.1. Sự làm nhụt động (dynamic damping)

21

1.3.2. Sóng xung đầu ra

21

1.4. Tần số lặp lại xung

22

1.5. Độ dài kh«ng gian cđa xung (Spatial Pulse Length – SPL)

23

1.5.1. Thêi gian ph¸t xung (Pulse Duration – PD)

23

1.5.2. HƯ sè lÊp đầy (Duty Factor DP)

24

1.6. Hệ số đầu dò

24

1.7. Độ nhạy

25

1.7.1. Các hiệu suất chuyển đổi

26

1.7.2. Trở kháng mạch

26


5

1.7.3. Các lớp phối hợp (Matching Layers)
1.8. Ưu nhợc điểm của sóng siêu âm trong công tác đo sâu
Chơng 2 - khái quát các CÔNG NGHệ DùNG TRONG

26
27
28

thiết kế mạch chức năng
2.1. Giới thiệu

28

2.1.1. Công nghệ ASIC (Application Specific Standard Product)

28

2.1.2. Công nghệ PLD ( Programmable Logic Devices)

28

2.1.3. Ưu nhợc điểm giữa công nghệ ASIC và PLD

28

2.1.4. Một số loại thiết bị logic lập trình đợc

29

2.1.4.1. CPLD

29

2.1.4.2. FPGA

30

2.1.5. Các công cụ chủ yếu cho thiết bị khả trình

30

2.1.6. Các công nghệ lập trình cho phần cứng

31

2.1.6.1 Phơng pháp liên kết dạng cầu chì (Bipolar fusiable

31

link)
2.1.6.2. Phơng pháp anifuse

31

2.1.6.3. Phơng pháp dựa trên bộ nhớ SRAM

31

2.2. Thiết kế mạch chức năng sư dơng vi ®iỊu khiĨn PIC

31

2.2.1. Giíi thiƯu vi ®iỊu khiĨn PIC cđa h·ng Microchip

31

2.2.2. CÊu tróc vi ®iỊu khiĨn 16F84

32

2.2.3. Lập trình cho vi điều khiển PIC

34

2.2.3.1. Lập trình dùng ngôn ngữ cơ sở Assembly

34

2.2.3.2. Lập trình dùng ngôn ngữ bậc cao C

42

2.2.3.3. Nạp tệp tin mà máy vào vi điều khiển

42

2.3. Thiết kế mạch sử dụng thiết bị FPGA

43


6

2.3.1. Giíi thiƯu

43

2.3.2. FPGA cđa h·ng Altera

43

2.3.2.1. Cyclone: The Lowest-Cost FPGA Ever

43

2.3.2.2. Stratix Devices: New Levels of System Integration

44

2.3.3. FPGA của hÃng Xilinx

45

2.3.3.1. Vitex

45

2.3.3.2. Spartan-3/3L

45

2.4. Ngôn ngữ mô phỏng phần cứng VHDL

46

2.4.1. Giới thiệu

46

2.4.2. Những u điểm của phơng pháp thiết kế hệ thống số

46

bằng ngôn ngữ mô phỏng phần cứng (HDL)
2.4.3. Khái quát ngôn ngữ mô tả phần cứng VHDL

48

2.4.4. Cấu trúc một mô hình mô tả bằng VHDL

50

2.4.5. Các thành phần cơ bản trong ngôn ngữ VHDL

54

Chơng 3 - khối xử lý tín hiệu trung tâm
3.1. Hiển thị LCD 16x2

58
58

3.1.1. Sơ đồ nguyên lý mạch

58

3.1.2. Bảng mà điều khiển hiển thị LCD

60

3.2. Khối tính toán độ sâu

68

3.2.1. Sơ đồ mạch chức năng

68

3.2.2. Bảng mà nguồn khôi tính toán độ sâu

69

3.3. Mạch Xử lý dữ liệu

73

3.3.1. Sơ đồ mạch chức năng

73

3.3.2. Bảng mà nguồn khối xử lý dữ liệu

74

3.4. Mạch thu phát dữ liệu nối tiếp- NMEA 0183

79

3.4.1. Mạch thu dữ liệu

79

3.4.2. Mạch phát dữ liệu

81


7

Chơng 4 - khối thu phát tín hiệu siêu âm

84

4.1. Bộ chuyển đổi tín hiệu Điện - Siêu âm (Transducer)

84

4.2. Mạch Điều chế - Giải điều chế tín hiệu điện

88

4.2.1. Mạch điều khiển tín hiệu phát

88

4.2.2. Mạch khuyếch đại công suất phát

91

4.2.3. Mạch lọc

92

4.2.3.1. Mạch lọc thông giải tần số 50kHz

93

4.2.3.2. Mạch lọc thông giải tần số 200kHz

94

4.2.4. Mạch giải tần 50kHz/200kHz
Chơng 5 - khối nguồn

95
97

5.1. Mạch chuyển đổi AC/DC-DC

97

5.2. Mạch chuyển đổi DC-12VDC

97

5.3. Mạch chuyển đổi 12VDC-5VDC

98

5.4. Mạch chuyển đổi DC-HVDC

99

kết luận và kiến nghị

100

tài liệu tham khảo

101

Phụ lục: Bản vẽ thiết kế các mạch chức năng

102


8

Danh mục các ký hiệu, các chữ viết tắt
ASIC

Application Specific Standard Product

CPLD

Complex Programmable logic Deviecs

DCM

Digital Clock Manager

DP

Duty Factor

DSC

Digital Signal Controller

DSP

Digital Signal Processing

FIFO

First In First Out

FPGA

Field Programmable Gate Array

HDL

Hardward Discription Languages

MIPs

Mega Instruction Per second

OFDM

Orthogonal Frequency Division Modulation

PD

Pulse Duration

PLD

Programmable Logic Devices

PMCD

Phase Matched Clock Divider

PRF

Pulse Repetition Frequency

PROM

Programmable Read Only Memory

SPL

Spatial Pulse Length

SPLD

Simple Programmable Logic Devices

VHDL

VHSIC

Very high speed intergrate circuit Hardware Description
Language
Very High Speed Intergrated Circuit


9

danh mục các bảng
Trang
Bảng 2.1. Linh kiện Cyclone FPGA

43

Bảng 2.2. Linh kiện Stratix FPGA

44

Bảng 2.3. Các thiết bị FPGA dòng Vitex

45

Bảng 2.4 Linh kiện Spartan-3/3L FPGA

45

Bảng 3.1 Bảng mà tơng ứng với ký tự hiển thị.

59

Bảng 3.2 Bảng mà lệnh ®iÓu khiÓn LCD

59


10

danh mục các hình vẽ, đồ thị
Trang
Hình 1. Mô phỏng công nghệ đo sâu, dò cá.
Hình 2. Mô hình hệ thống quét địa hình đáy biển dùng thiết bị
Multibeam

13
14

Hình 3. Mô hình hệ thống định vị ngầm

15

Hình 1.1 Cấu trúc đầu dò

20

Hình 2.1 Lợc đồ các dòng PIC của Microchip.

32

Hình 2.2 Kiến trúc Harvard và kiến trúc von-Neumann

33

Hình 2.3 Sơ đồ khối PIC 16F84A

33

Hình 2.4 Sơ đồ vòng lệnh trong vi điều khiển PIC

33

Hình 3.1 Khối điều khiển hiện thị LCD và giao tiếp phím.

58

Hình 3.2 Màn hình hiển thị LCD16x2(44780)

58

Hình 3.3 Mạch Điều khiển-Tính toán độ sâu

68

Hình 3.4 Mạch Xử lý dữ liệu

73

Hình 3.5 Mạch thu thập dữ liệu định vị

79

Hình 3.6 Mạch truyền dữ liệu định vị, dữ liệu đo sâu

81

Hình 4.1 Cảm biến siêu âm dùng trong không khí

84

Hình 4.2 Transducer đo sâu, dò cá

85

Hình 4.3 Multibeam Transducer

86

Hình 4.4 Định vị ngầm

87

Hình 4.5 Góc mở của tín hiệu siêu âm ứng với tần số

88

Hình 4.6 Mạch điều khiển tín hiệu phát

89

Hình 4.7 Khuyếch đại công suất phát

91

Hình 4.8 Mạch lọc thông giải MFB

92


11

Hình 4.9 Mạch lọc thông dải tần số 50kHz

93

Hình 4.10 Đặc tuyến vào/ra của bộ lọc 50kHz

94

Hình 4.11 Mạch lọc thông dải tần số 200kHz

94

Hình 4.12 Đặc tuyến vào/ra của bộ lọc 200kHz

95

Hình 4.13 Mạch giải tần 50kHz/200kHz

96

Hình 5.1 Mạch chuyển đổi điện áp AC/DC-DC

97

Hình 5.2 Mạch chuyển đổi điện áp DC-12VDC

98

Hình 5.3 Mạch chuyển đổi điện áp 12VDC-5VDC

98

Hình 5.4 Mạch chuyển đổi D-HVDC

99


12

mở đầu
Với địa hình chải dài ven biển, nớc ta cần chú trọng đầu t và phát triển
công nghệ nghiên cứu và khai thác tài nguyên biển. Công nghệ thu thập, trao
đổi thông tin trong môi trờng nớc là nét đặc trng riêng đợc ứng dụng
trong công tác nghiên cứu và khai thác tài nguyên biển. Với trình độ phát triển
công nghệ, khoa học hiện tại thì kỹ thuật sử dụng sóng siêu âm vẫn là kỹ thuật
số một đợc sử dụng
nghiên cứu, khai thác
trong môi trờng nớc.
Một số ứng dụng kỹ
thuật sử dụng sóng siêu

âm đà đợc khai thác
phổ biến nh:
1) Công nghệ đo sâu,
dò cá: đây là mô hình
đơn giản nhất của ứng
dụng kỹ thuật siêu âm.
Mô hình này sử dụng
một bộ chuyển đổi tín
hiệu

siêu

âm/điện-

Transducer phát đi một
chùm sóng siêu âm,
thông

thờng

Transducer có hai loại,
đơn tần (chỉ phát một
tần số), và hai tần (chỉ
phát hai tần số). Đợc
ứng dụng trong công

1.a) Mô phỏng chùm sóng siêu âm


13

tác dò cá,
hoặc

công

tác đo sâu
lập bản đồ
địa hình đáy
biển.

1.b) Kết quả thu đợc ứng với hai tần số 200kHz và 50kHz
Hình 1. Mô phỏng công nghệ đo sâu, dò cá.
2) Công nghệ quét địa hình đáy biển: Mô hình này là một ứng dụng cao hơn
mô hình một chùm sóng, nó sử dụng một bộ Transducer nhiều chùm tia để
khảo sát nhiều điểm tại một thời điểm. Hiện nay số tia cực đại tích hợp trên
một Transducer là 256 tia. Đợc ứng dụng trong công tác khảo sát địa hình
đáy biển, và lập bản đồ địa hình đáy biển độ phân giải cao.

2.a) Chùm sóng siêu âm của thiết bị Multibeam


14

2.b) Hình ảnh địa hình thu đợc từ thiết bị quét Multibeam

2.c) Hệ thống Multibeam của hÃng ATLAS
Hình 2. Mô hình hệ thống quét địa hình đáy biển dùng thiết bị Multibeam
3) Công nghệ định vị ngầm: Mô hình phổ biến sử phổ biến sử dụng công
nghệ này là sử dụng nhiều (thờng là 4) trạm thu phát, dựa vào đó xác định

đợc khoảng cách từ vật thể (thợ lặn hoặc robot) tới các trạm đó. Bộ phận xử


15

lý căn cứ vào các thông số này xác định đợc vị trí hiện tại của vật thể cần
định vị.

Hình 3. Mô hình hệ
thống định vị ngầm


16

ở nớc ta công tác đo sâu hoàn toàn sử dụng các thiết bị nhập khẩu từ
nớc ngoài, các tổ chức nghiên cứu về công nghệ sử dụng sóng siêu âm thì
cha thể hiện tơng xứng với vai trò của mình. Trong phạm vi đề tài này, em
tập trung nghiên cứu một số kỹ thuật thiết kế mạch chức năng dùng trong
máy đo sâu sử dụng sóng siêu âm dùng Transducer hai tần của hÃng
FURUNO. Mục đích chính là nắm đợc nguyên lý hoạt động của thiết bị này,
thiết kế mạch mạch chức năng điều khiển hoạt động của các bộ phận chính
trong máy đo sâu. Từ đó đa ra những khả năng có thể phát triển công nghệ,
ứng dụng trong các lĩnh vực đòi hỏi công nghệ cao hơn nh quét địa hình,
định vị ngầm.
Em xin chân thành cảm ơn thầy TS Nguyễn Nam Quân đà định hớng,
hớng dẫn em thực hiện nghiên cứu và hoàn thành bản luận văn này. Xin chân
thành cảm ơn các anh chị, các bạn đồng nghiệp đà giúp đỡ, động viên trong
thời gian thực hiện bản luận văn. Em kính mong sẽ đợc thầy TS Nguyễn
Nam Quân, cũng nh các thầy, các bạn đồng nghiệp quan tâm đến lĩnh vực sử
dụng sóng siêu âm luôn luôn giúp đỡ, động viên trong những nghiên cøu tiÕp

theo.


17

Chơng 1 - nguyên lý sử dụng sóng siêu âm
trong công tác đo khoảng cách
1.1. Lý thuyết chung về sóng siêu âm
Âm thanh là năng lợng cơ học đợc truyền qua môi trờng. Các thay đổi
tuần hoàn dới áp lực của môi trờng (khí, lỏng, rắn) đợc tạo ra bởi các lực
tác động lên các phân tử, khiến chúng dao động quanh vị trí cân bằng của
chúng. Âm thanh mà tai ngời có thể phát hiện đợc dao động trong khoảng
từ 20Hz đến 20000Hz. Sóng cơ có tần số dới 20Hz gọi là hạ âm, sóng cơ có
tần số lớn hơn 20000Hz gọi là sóng siêu âm.
Sóng âm lan truyền trong môi trờng đồng nhất với một vận tốc nhất
định:
c=


; suất đàn hồi, tỷ khối của môi trờng.


(1.1)

Nếu đo đợc khoảng thời gian truyền âm là ta sẽ tính đợc quÃng đờng
sóng âm đà truyền: s = c..
Trong công tác đo khoảng cách nói chung, và đo sâu nói riêng, ngời ta
đo đợc khoảng thời gian sóng âm lan truyền từ khi phát tới khi nhận đợc tín
hiệu âm phản hồi. Nh vậy trong khoảng thời gian ®ã sãng ©m ®· lan trun
mét qu·ng ®−êng b»ng hai lần khoảng cách từ nguồn âm tới điềm đích. Do đó

khoản cách, hay độ sâu sẽ là:

d=s/2=c./2

(1.2)

1.2. Nguồn phát sóng siêu âm
1.2.1. Sự liên kết lỡng cực
Không có gì trong tự nhiên có thể phù hợp để truyền năng lợng siêu âm
ở phạm vi tàn số KHz đến MHz. Do vậy, cần có các đầu dò. Cấu trúc của thiết
bị loại này dựa trên hiện tợng đầu tiên đợc nghiên cøu bëi Pierre vµ Marie
Curie vµ gäi lµ hiƯu øng áp điện. Hiệu ứng này thờng đợc thấy ở các vật liệu
kết tinh có hai cực (các vùng cực âm và dơng) ở mỗi phần tử. Các phân tử


18

lỡng cực có cực âm ở một đầu và cực dơng ở một đầu. Trong cấu trúc mạng
lới tinh thể thông thờng, các lỡng cực đợc xắp xếp ngẫu nhiên không thể
cố định.
Nếu vật bị đốt nóng trên một nhiệt độ gọi là nhiệt độ Curie, các phân tử
bị tách rời và có thể dịch chuyển tự do. Khi cặp các phiến nạp (một cực âm và
một cực dơng) đợc đặt thông qua vật liệu, các vùng âm của mỗi phân tử
quay về hớng phiến dơng và các vùng dơng quay về phiến âm (tác dụng
nạp ngợc, hay kháng nạp). Các vùng âm và dơng của các phân tử không xắp
xếp trực tiếp với trờng điện từ đợc tạo bởi các phiến do chuyển động nhiệt.
Nếu vật liệu sau đó đợc làm lạnh dới nhiệt độ Curie trong khi các phiến nạp
vẫn đặt vào, các phần tử sẽ duy trì định hớng của chúng. Đầu dò siêu âm
không đợc làm nóng bởi điều này sẽ phá huỷ tính chất áp điện của vật liệu do
tăng nhiệt độ của nó trên nhiệt độ curie và trở về các lỡng cực với sự xắp xếp

tự do của chúng.
Khi vật liệu làm lạnh dới nhiệt độ Curie, các phiến cực đợc sử dụng
cho việc xắp xếp sẽ đợc bỏ mà không làm thay đổi các thông số lỡng cực.
Sự xắp xếp phân tử của các phân tử lỡng cực cho ra các vật liệu áp điện với
các tính chất riêng của chúng. Các phiến điều khiển đợc đặt ở hai mặt đối
diện của tinh thể điều chỉnh các vị trí của các điiện cực xắp xếp định hớng.
Khi một điện thế đợc đặt vào các phiến điều khiển, các phân tử bị vặn để xắp
xếp lại chúng trong trờng điện thế (các phân tử dơng hớng về điện cực âm,
các phân tử âm hớng về điện cực dơng), do đó làm dày hơn tinh thể.
Nếu các phiến đảo cực, các phân tử sẽ vặn ngợc lại so với vị trí định
hớng, tạo ra sự giảm bề dày tinh thể. Sự dịch chuyển thực tế chỉ vài micron,
hai mặt trớc và sau của chiều phân cực gây ra sự nén và giÃn của tinh thể, tạo
ra dao động cơ. Khi tinh thể nén và giÃn đợc đặt trên môi trờng vật chất, các
sóng âm (các dao động cơ) đợc truyền vào môi trờng. Do vậy, một điện áp
đợc đặt qua vật liệu áp điện sẽ tạo ra chuyển động cơ (sóng âm). Trong tinh


19

thể, hiện tợng này (hiệu ứng áp điện nghịch) cho phép một chùm siêu âm
đợc tạo ra bởi đầu dò.
Cũng nh vậy, hiệu ứng áp điện tạo khả năng cho cùng một đầu dò có thể
nhận tín hiệu dội siêu âm (sóng áp điện tần số cao). Các sóng siêu âm trở về
do các tơng tác với các vật chắn, tới tinh thể và tạo ra các tín hiệu điện. Các
tín hiệu này đợc xử lý và hiển thị.
1.2.2. Tần số dao động tự nhiên
Nếu một mình, đầu dò cũng rung nh− mét ©m thoa. L−u ý r»ng nÕu mét
©m thoa rung 2000Hz nó không thể đợc đánh 2000 lần mỗi giây để duy trì
âm thanh (mặc dù có thể làm đợc, đặc biệt với việc tạo sóng liên tục). Thay
vào đó, tần số dao động tự nhiên xảy ra mà sóng đợc truyền đi và về tại một

tần số nào đó phụ thuộc vào giao thoa sóng. Nếu một tinh thể đợc treo trong
không khí và đợc tác động bằng một xung điện áp, các sóng siêu âm đợc
tạo ra. Một loạt các mặt sóng đợc tạo ra: hớng về phía trớc từ mặt trớc,
hớng về phía sau vào tinh thể từ mặt trớc, vào tinh thể ở mặt sau và ra khỏi
tinh thể ở mặt sau. Các sóng này trải qua các giao thoa tăng cờng và triệt tiêu
trong tinh thể, tuỳ vào bề dày tinh thể. Sóng siêu âm di chuyển từ một mặt của
tinh thể tới mặt kia, trải qua phản xạ giữa hai mặt tinh thể. Tinh thể có tần số
dao động tự nhiên (nh âm thoa) có nghĩa là có liên quan với khoảng cách
giữa hai bề mặt này. Để có gioa thoa tăng cờng của một sóng đơn chuyển từ
trớc ra sau qua tinh thể, khoảng cách từ mặt này đến mặt kia cần bằng nửa
bớc sóng. Các tinh thể này cực kỳ mỏng.
1.2.3. Các vật liệu áp điện
Để thay đổi tần số của đầu dò yêu cầu phải thay đổi bản thân đầu dò. Một
đầu dò tần số cao tạo ra bớc sóng ngắn có một tinh thể mỏng bằng phẳng.
Thạch anh là một vật liệu tự nhiên có thể tạo ra để có các tính chất áp điện. Nó
là vật liệu đợc Curie nghiên cứu. Thạch anh, gốm đợc sử dụng trong các đầu
dò siêu âm do tính chất truyền tuyệt vêi cña nã.


20

1.3. Cấu trúc đầu dò

Hình 1.1 Cấu trúc đầu dò
Thành phần chính của một đầu dò là một tinh thể vật liệu áp điện với các
điện cực ở các mặt đối diện để tạo ra cực thay đổi. Các điện cực đợc tạo
thành bởi lớp mạ mỏng bằng vàng hoặc bạc trên bề mặt tinh thể. Để nâng cao
sự truyền năng lợng đến và về từ vật thể, lớp phối hợp đợc đặt ngay sau một
trong các điện cự. Sự rung tinh thể đợc loại bỏ nhờ vật liệu hỗ trợ nối tiếp bề
mặt điện cực ra khỏi môi trờng. Toàn bộ tinh thể đợc lắp ghép, bao gồm các

điện cực, lớp phối hợp và vật liệu hỗ trợ, đợc chứa trong một lớp vỏ cách điện
(thờng là loại nhựa nào đó). Lớp vỏ này cũng cung cấp sự hỗ trợ cấu trúc.
Một bộ cách âm, tạo bởi cao su hoặc bấc, ngăn sự truyền năng lợng siêu âm
vào nó. Hình 1.1 là một mặt cắt của đầu dò.
Đầu dò rất nhạy với giao thoa điện từ, góp phần vào mức nhiễu (nghĩa là
các tín hiệu không tơng ứng với các tơng tác vật lý của sóng âm). Mức


21

nhiễu cao ngăn chặn sự phát hiện các tín hiệu dội yếu. Để làm giảm bớt giao
thoa điện từ, lới chắn bảo vệ tần số radio bao gồm trụ kim loại rỗng đợc đặt
xung quanh tinh thể và vật liệu đệm và tiếp đất tới mặt điện cực đằng trớc.
Lớp cách điện bao phủ mặt trong của lới chắn bảo vệ sóng radio để chặn ảnh
hởng dội lại.
Vật liệu đệm (backing material) chỉ ra ở sơ đồ (hình 1.1) tuỳ thuộc vào
đầu dò đợc thiết kế cho ứng dụng cụ thể.
Đối với tạo ảnh, đầu dò gửi chùm siêu âm ngắn (có thể là một chu kỳ)
theo sau là một khoảng lặng để nghe tín hiệu dội trở về (dạng nhận) trớc khi
chùm khác phát đi. Nó gọi là một hệ thống xung, và sự thiết kế dựa trên
nguyên tắc phạm vi tín hiệu dội. Lý tởng là vật liệu đệm có thể hấp thụ hết
năng lợng, trừ một chu kỳ sóng đợc tạo ra từ mặt trớc đầu dò. để truyền
năng lợng lớn nhất (từ tinh thể tới vật liệu hỗ trợ), vật liệu đệm cần có trở
kháng âm giống hệt với tinh thể. Phần sau của vật đệm đợc làm vát xiên để
ngăn chặn sự phản xạ năng lợng âm vào tinh thể. Độ nhạy (khả năng phát
hiện ra các mặt phản xạ yếu) của đầu dò giảm khi sự làm nhụt tăng (damping)
do có sự làm nhụt sẽ giảm cờng độ sóng siêu âm phát ra từ đầu dò.
1.3.1. Sự làm nhụt động (dynamic damping)
Sự làm nhụt động (dynamic damping) là một cách làm triệt rung bằng
điện. Một xung điện áp với cực tính ngợc đặt vào tinh thể ngay tiếp thep

xung kích thích. Điều này chống lại sự giÃn và nén của tinh thể đợc kích
thích bởi xung đầu dò và sự rung bị ngăn chặn.
1.3.2. Sóng xung đầu ra
Trong các hệ thống giải tín hiệu dội, đầu dò phải tạm dừng sau khi truyền
sóng âm ®Ĩ “nghe” c¸c tÝn hiƯu déi trë vỊ. Do tinh thể không thể gửi và nhận
đồng thời, nó cần đợc tạo xung để truyền sau một thời gian nghe đà trải qua.
Bộ đồng bộ chủ gửi một tín hiệu điện tới bộ phát xung hoặc đầu phát để khởi


22

tạo quá trình. Lệnh bắt đầu sẽ đợc chuyển tới đầu dò để tạo ra chùm siêu âm
ngắn. Có hai phơng pháp mà đầu phát có thể làm việc.
ở phơng pháp thứ nhất, đầu dò của bộ phát sóng hình sin đợc mở cổng
(gate) để đặt một điện áp xoay chiều nhanh lên tinh thể. Nếu cổng đợc mở
với thời gian dài, một sóng liên tục đợc tạo ra. Nếu cổng mở với thời gian
ngắn, một xung ngắn đợc tạo ra.
Phơng pháp thứ hai sử dụng tụ nạp (một thiết bị chứa điện nạp). Nó
phóng điện qua tinh thể áp điện, kích thích tạo ra dao động tại tần số cộng
hởng nh đà nói trớc. Tụ đợc nạp khi tinh thĨ chê tÝn hiƯu déi quay trë l¹i.
Thêi gian phãng của tụ, kết hợp với làm nhụt (damping) tinh thể và tần số, xác
định độ dài xung điện (liên quan tới chu kỳ trong chùm xung). Thời gian nạp
lại đợc đặt trùng khớp với thời gian nghe.
1.4. Tần số lặp lại xung
Số lần tinh thể rung hoặc kích thích điện trong một giây gọi là tần số lặp
lịa xung (Pulse Repetition Frequency PRF). Do một đầu dò không thể gửi và
nhận siêu âm cùng một lúc, nên tồn tại một giới hạn tơng ứng với tốc độ có
thể đợc phát xung. Tần ssố lặp xung cực đại (PRFm) bị giới hạn bởi độ sâu
cực đại (R) đợc lấy mẫu và vận tốc (c) của siêu âm trong môi trờng, nh
cho bởi công thức:

PRFm =

c
2R

(1.3)

Hệ số 2 tính cho khoảng cách tới mặt phân cách và quay về đầu dò. Thời
gian (t) cần thiết cho sóng truyền vào độ sâu R đợc cho:
R = c.t

(1.4)

PRF cực đại tỷ lệ nghịch với thời gian truyền:
PRFm =

Số 2t nói lên thời gian đi vµ vỊ.

c
1
=
2c.t 2t

(1.5)


23

Công thức (1.3) cho rằng PRFm có thể tăng nếu vận tốc trong môi trờng
tăng. Đặc biệt vận tốc siêu âm trong môi trờng không thay đổi và vận tốc

không thể điều chỉnh. Công thức (1.3) cũng chỉ ra rằng PRFm không thể tăng
nếu độ sâu quan tâm tăng. Độ sâu là thông số có khả năng thay đổi bởi ngời
vận hành. Tuy nhiên khi thiết kế các hệ thống, các nhà sản xuất thờng thay
đổi PRF cùng với độ sâu.
1.5. Độ dài không gian của xung (Spatial Pulse Length SPL)
Một cách lý tởng với mỗi xung, toàn bộ năng lợng siêu âm của tần số
tơng ứng đợc hớng vào điểm đích. Trong thực tế, xung đợc bao gồm một
dÃy các tần số khác đợc mô tả dới dạng dải thông. Chiều dài của các xung
ngắn này có thể đợc ớc lợng và đợc gọi là độ dài không gian của xung
(SPL). Nó đợc tính từ bớc sóng và số chu kỳ (n) trong xung.
SPL = .n

(1.6)

Giả thiết rằng đầu dò 3 MHz tạo ra một xung có ba chu kỳ. Bớc sóng
đợc xác định từ công thức
=

c 1540m / s
=
= 5,13.10 − 4 m = 0,513mm
6
f 3.10 c / s

với n = 3, SPL đợc tính bằng λ.n = 0,513mm.3 = 1,54mm.
SPL ¶nh h−ëng tíi hiƯu qu¶ của máy quét trong việc mô tả chi tiết không
gian. Độ phân giải dọc là khả năng phân biệt các ảnh riêng biệt hai vật rất gần
nhau theo hớng truyền. Để tăng độ phân giải dọc cần một xung thời gian
ngắn. Để làm ngắn không gian xung, số vòng, số chu kỳ cần giảm, hoặc tần số
tăng để làm giảm bớc sóng, độ dài xung còn phụ thuộc vào khoảng cách cần

đo.
1.5.1. Thời gian phát xung (Pulse Duration PD)
Thời gian phát xung (PD), hoặc độ dài xung theo thời gian, là thời gian
của một xung phát ra hoàn toàn. Nó miêu tả thời gian thực tế mà đầu dò phát
ra xung siêu âm. Một định nghĩa thông dụng hơn là thời gian trôi qua từ khi


24

khởi tạo xung tới điểm thấp hơn 20 dB so với biên độ áp xuất đỉnh-đỉnh của
sóng. Một định nghĩa khác là số nửa chu kỳ mà biên độ đỉnh lớn hơn 25%
biên độ cực đại của xung. ảnh hởng của vật liệu đệm làm giảm xung đợc chỉ
định bởi thông số này.
Độ phân giải dọc, và do đó tạo khả năng nhận ra các cấu trúc bề mặt, phụ
thuộc vào PD (hoặc độ dài không gian của xung SPL). PD đợc tính bằng tích
của số chu kỳ trong xung (n) vµ chu kú (t) cđa sãng.
PD = n.t

(1.7)

1.5.2. HƯ số lấp đầy (Duty Factor DP)
Một máy thông thờng với thời gian phát xung 1à và PRF 1kHz chỉ
truyền 0,1% thời gian của nó. Nghĩa là phần lớn thời gian của nó 99,9% dùng
ở trạng thái nhận. Hệ số lấp đầy (DF) là phần thời gian mà đầu đo hoạt động
tích cực và đợc tính bằng tỷ số giữa thời gian phát xung và chu kỳ lặp lai
xung.
DF =

PD
PRF

(1.8)

Cả DP và PRF đợc biểu diễn trong các đơn vị s hoặc ms nhng DF
không có đơn vị. Nó là tỷ lệ thời gian phát xung trên thời gian giữa hai xung.
Nó rất quan trọng trong việc xác định một vài thông số cờng độ sử dụng để
tính toán các ảnh hởng sinh học thay đổi.
1.6. Hệ số đầu dò
Vài hệ số hoặc thông số sau ảnh hởng đến toàn bộ hoạt động của đầu
dò:
k- Hệ số ghép cơ điện;
h- Hệ số truyền;
g- Hệ số nhận;
- Hằng số điện môi;
z- Trở kháng âm;


25

Q- Hệ số cơ.
Hệ số cơ điện (k) miêu tả hiệu quả % của đầu dò chuyển kích thích điện
từ bộ phát sang năng lợng siêu âm và năng lợng siêu âm nhận đợc sang
các tín hiệu điện. Hệ số truyền (h) chỉ ra phần năng lợng điện đựoc chuyển
đổi thành năng lợng âm. Phần năng lợng tín hiệu dội trở về đợc chuyển
sang năng lợng điện là hệ số nhËn (g). TÝch cđa hƯ sè trun vµ hƯ sè nhận
tạo ra hệ số ghép cơ điện.
k = h.g

(1.9)

Các tính chất cơ và điện của đầu dò đợc đặc trng bởi hằng số điện môi
(), và cũng liên quan tới hệ số truyền và nhận. Hằng số điện môi miêu tả biến
dạng (chuyển động) mà tinh thể phải chịu khi điện áp đặt vào nó và điện áp
tạo ra khi nó bị biến dạng. Hai điều kiện đợc thiết lập để đánh giá hằng số
điện môi: chuyển động không hạn chế và bị hạn chế. Điều này tơng ứng với
tinh thể ở trạng thái tự do và tinh thể đợc đặt trong đầu dò gắn với vật liệu bề
mặt và hỗ trợ. Hằng số điện môi cao đợc mong muốn trong quá trình nhận
với các tần số thấp do có độ nhiễu điện nhỏ từ dây cáp và các đầu dò khuyếch
đại nhận. Trong thực tế, hằng số điện môi cao cần hơn là hệ số nhận cao.
Trở kháng âm (z) của tinh thể đợc định nghĩa bằng tích vận tốc và tỉ
khối, ảnh hởng đến năng lợng sóng truyền qua mặt phân cách môi trờng tinh thể. Giá trị z của môi trờng và tinh thể giống nhau làm tăng việc truyền
siêu âm vào môi trờng. Hệ số cơ (Q) đặc trng cho đáp ứng tần số của đầu
dò. Đó là vấn đề quan tâm chính khi lựa chọn cho mỗi ứng dụng riêng.
1.7. Độ nhạy
Độ nhạy, mặc dù không đợc định nghĩa một cách chính thức, miêu tả
khả năng của một hệ thống siêu âm có thể phân biệt các vật phản xạ yếu với
các thuộc tính âm gần nh giống nhau tại một vị trí trong môi trờng. Tất cả
các hệ số của đầu dò đà đề cập ở trên đều ảnh hởng đến độ nhậy. Các xem


26

xét khác, thêm vào các hệ số đầu dò, ảnh hởng đến độ nhạy của một hệ thống
siêu âm.
1.7.1. Các hiệu suất chuyển đổi
Trong các hệ số của đầu dò, các hiệu suất chuyển đổi (năng lợng điện
sang năng lợng âm và ngợc lại) là quan trọng nhất, nó chỉ ra độ nhạy của
đầu dò. Với xấp xỉ đầu tiên, độ nhạy đầu dò đợc cho bởi tích của hệ số
truyền và hệ số nhận. Một đầu dò chuyển 100% năng lợng điện sang năng
lợng âm, nhng chỉ 1% năng lợng âm sang năng lợng điện, sử dụng 1%

của năng lợng sẵn có. Nếu hệ số truyền và hệ số nhận đều là 0,25; có 6,25%
(0.25 x 0.25 x 100%) năng lợng sẵn có đợc sử dụng. Trờng hợp sau cho
phép phát hiện các tín hiệu yếu; độ nhạy tăng bởi mộy đầu dò có hệ số ghép
cơ điện cao.
1.7.2. Trở kháng mạch
Phối hợp trở kháng của đầu dò tới bộ phát xung và bộ nhận cũng ảnh
hởnh tới độ nhạy. Không phối hợp trở kháng điện tại bộ phát xung làm giảm
lợng năng lợng điện phát tới đầu dò trong mạch máy phát, do đó tạo ra xung
siêu âm cờng độ yếu. Nếu không phối hợp trở kháng tại đầu nhận của đầu
dò, năng lợng điện đợc phản xạ vào đầu dò và tín hiệu yếu hơn đợc xử lý.
Một lần nữa độ nhạy của hệ thống giảm. Không phối hợp trở kháng điện cũng
gây ra giảm giá trị của độ phân giải dọc do tạo ra chiều dài xung lớn hơn. Phối
hợp trở kháng phụ thuộc một phần vào hằng số điện môi.
1.7.3. Các lớp phối hợp (Matching Layers)
Phối hợp trở kháng âm của đầu dò tới vật đợc quét là một hệ số quan
trọng có ảnh hởng đến độ nhạy. Không phối hợp trở kháng âm (z) tại một
mặt phân cách gây ra một phần phản xạ.
Việc đa vào các vật liệu bề mặt hoặc các lớp phối hợp giữa tinh thể và
môi trờng nhằm loại trừ một phần vấn đề này. Vật liệu bề mặt có trở kháng
âm thích hợp cung cấp sự phối hợp tốt hơn giữa tinh thể và môi trờng (nghĩa