超音波トランスデューサー

超音波トランスデューサと超音波センサは、超音波エネルギーを生成または検出する装置です。これらは、送信機、受信機、トランシーバーの 3 つの大まかなカテゴリに分類できます。送信機は電気信号を超音波に変換し、受信機は超音波を電気信号に変換し、トランシーバーは超音波の送受信の両方を行うことができます。^{[ 1 ]}

超音波は、風速と風向の測定（風速計）、タンクや水路の液面レベル、空気中または水中での速度の測定に使用できます。速度や方向を測定する場合、装置は複数の検出器を使用し、空気中または水中の微粒子までの相対距離から速度を計算します。タンクや水路の液面レベル、および海面レベル（潮位計）を測定する場合、センサーは液面までの距離（測距）を測定します。その他の用途としては、加湿器、ソナー、医療用超音波検査、防犯アラーム、非破壊検査などがあります。

一般的なシステムでは、電気エネルギーを音に変換することで20kHz以上の超音波領域の音波を発生させるトランスデューサーを使用し 、その後、反射波を受信すると、その音波を測定および表示可能な電気エネルギーに変換します。

この技術もまた、接近する物体を検知し、その位置を追跡することができる。^{[ 2 ]}

超音波は、トランスデューサ間で離散的な超音波バーストを送受信することにより、点間の距離測定にも使用できます。この技術はソノマイクロメトリーとして知られており、超音波信号の伝搬時間を電子的に（つまりデジタル的に）測定し、トランスデューサ間の媒体の音速が既知であると仮定して、数学的にトランスデューサ間の距離に変換します。この方法は、時間分解能と空間分解能に関して非常に高精度です。なぜなら、伝搬時間測定は、基準レベルまたはゼロ交差のいずれかによって同じ入射（受信）波形を追跡することによって導出できるからです。これにより、測定分解能はトランスデューサによって生成される音波周波数の波長をはるかに超えることができます。^{[ 1 ]}

超音波トランスデューサは、交流電流（AC）を超音波に変換し、またその逆も行います。トランスデューサは通常、圧電トランスデューサ^{[ 3 ]}または容量性トランスデューサを使用して超音波を生成または受信します^{[ 4 ]}。圧電結晶は、印加される電圧に応じてサイズと形状を変化させることができます^{[ 3 ]} 。一方、容量性トランスデューサは、導電性ダイヤフラムとバックプレート間の静電場を使用します。

トランスデューサのビームパターンは、トランスデューサの有効面積と形状、超音波の波長、および伝搬媒体の音速によって決まります。図は、水中における非集束型および集束型超音波トランスデューサの音場を、明らかに異なるエネルギーレベルで示しています。

圧電材料は力が加わると電圧を発生するため、超音波検出器としても機能します。システムによっては送信機と受信機を別々に使用するものもあれば、両方の機能を単一の圧電トランシーバーに統合するものもあります。

超音波送信機は、磁歪などの圧電効果以外の原理を利用することもできる。この性質を持つ材料は、磁場にさらされるとわずかにサイズが変化するため、実用的なトランスデューサーとなる。

コンデンサー型マイクロホンは、超音波に反応する薄い振動板を備えています。振動板と近接した裏板との間の電界の変化によって、音信号が電流に変換され、増幅されます。

ダイヤフラム（または膜）の原理は、比較的新しいマイクロマシニング超音波トランスデューサ（MUT）にも使用されています。これらのデバイスは、特にトランスデューサアレイの製造に役立つシリコンマイクロマシニング技術（MEMS技術）を使用して製造されます。ダイヤフラムの振動は、ダイヤフラムと近接したバックプレート間の静電容量を使用して電子的に測定または誘起できます（CMUT）、またはダイヤフラム上に圧電材料の薄い層を追加することによって（PMUT ）。あるいは、最近の研究では、ダイヤフラム内部に統合された小さな光リング共振器によってダイヤフラムの振動を測定できることが示されています（OMUS）。 ^{[ 5 ] [ 6 ]}

超音波トランスデューサーは音響浮揚にも使用できる。^{[ 7 ]}

これは、音波を水中に送信し、パルスの発信と戻りの時間間隔を記録するものです。結果として得られる飛行時間と水中での音速の知識があれば、ソナーとターゲット間の距離を決定できます。この情報は通常、航行目的または海図作成のための水深を取得するために使用されます。距離は、信号の発信パルスから戻りまでの時間の半分に水中での音速（約 1.5 キロメートル毎秒 [T÷2×(4700 フィート毎秒または 1.5 キロメートル毎秒)] を掛けて測定します。水路測量などの精密な音響測深の用途では、音速も測定する必要があり、通常は音速プローブを水中に展開します。音響測深は、実質的には海底の位置を特定するために使用されるソナーの特殊用途です。SI 以前の伝統的な水深の単位はファゾムであったため、水深を測定するために使用される機器はファゾメーターと呼ばれることがあります。最初の実用的な測深器はハーバート・グローブ・ドーシーによって発明され、1928年に特許が取得された。^{[ 8 ]}

医療用超音波トランスデューサー（プローブ）は、体のさまざまな部位の断面画像を作成するために、さまざまな形状とサイズがあります。トランスデューサーは、胎児超音波画像のように皮膚に接触させて使用することも、直腸や膣などの体の開口部に挿入して使用することもできます。超音波ガイド下処置を行う臨床医は、超音波トランスデューサーを保持するためにプローブ位置決めシステムを使用することがよくあります。^{[ 9 ]}

他の医用画像診断法と比較して、超音波にはいくつかの利点があります。リアルタイムで画像を提供し、持ち運び可能で、ベッドサイドに持ち込むことができます。他の画像診断法よりもコストが大幅に低く、有害な電離放射線を使用しません。欠点としては、視野のさまざまな制限、患者の協力の必要性、患者の体格への依存、骨、空気、ガスによって隠された構造の画像化の難しさ^{[注1 ]}、通常は専門的な訓練を受けた熟練した操作者の必要性などが挙げられます。これらの欠点のため、新しいウェアラブル超音波実装が人気を集めています。これらの小型デバイスは、バイタルサインを継続的に監視し、異常の初期兆候が現れたときに警告を発します。^{[ 10 ] [ 11 ]}

車両のバンパーに取り付けられた超音波式パーキングセンサー（円形）

センサーが検出した障害物を表示する車両インフォテインメント画面

超音波センサーは、多くの自動化された工場や製造プラントにおいて、対象物の動きを検知し、その距離を測定することができます。センサーは、物体の動きを検知するためのオン/オフのデジタル出力、または距離に比例するアナログ出力を備えることができます。また、ウェブガイドシステムの一部として、材料の端を検知することも可能です。

超音波センサーは、自動車の駐車センサーとして広く利用されており、ドライバーが駐車スペースにバックで駐車する際に役立ちます。また、超音波による人検知や自律型無人航空機（UAV）の航行支援など、自動車分野におけるその他の用途についても試験が行われています。

超音波センサーは光ではなく音波を用いて物体を検出するため、光電センサーでは対応できないような用途でも使用できます。超音波は、透明物体の検出や液面測定に最適なソリューションであり、対象物の半透明性のために光電センサーでは対応が難しい用途に適しています。また、対象物の色や反射率も超音波センサーの性能に影響を与えないため、強い光環境下でも安定して動作します。

受動型超音波センサーは、高圧ガスや液体の漏洩、あるいは超音波を発生させるその他の危険な状態を検出するために使用できます。これらの装置では、トランスデューサー（マイクロホン）からの超音波が人間の可聴域（可聴音＝20Hz  ～20kHz  ）に変換されます。

市販の超音波洗浄装置には、高出力超音波発生器が使用されています。超音波トランスデューサーは、溶剤（多くの場合、水またはイソプロパノール）を満たしたステンレス製の容器に取り付けられています。トランスデューサーに方形波を印加すると、溶剤中にキャビテーションを引き起こすのに十分な強さの音波が発生します。

超音波技術は、さまざまな洗浄用途に利用されてきました。中でも、過去10年間でかなりの注目を集めているのが、超音波ガン洗浄です。

超音波溶接および超音波ワイヤボンディングでは、高出力超音波トランスデューサによって発生する振動を利用して、プラスチックと金属を接合します。

超音波検査は、冶金学や工学分野においても、さまざまな種類のスキャンを用いて腐食、溶接部、材料欠陥などを評価するために広く用いられている。

• エスコーラ A、プラナス S、ローセル JR、ポマー J、キャンプ F、ソラネルス F、グラシア F、ジョレンス J、ギル E (2011)。「リンゴの樹冠における超音波測距センサーのパフォーマンス」。センサー。11 (3): 2459– 77。Bibcode : 2011Senso..11.2459E。土井: 10.3390/s110302459。PMC 3231637。PMID 22163749。  {{cite journal}}: CS1 maint: 複数の名前: 著者リスト (リンク)。