超聲波頻率分布

超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其傳播速度不同。超聲波在介質中傳播的波形取決于介質可以承受何種作用力以及如何對介質激發超聲波。通常有如下三種：

• 縱波波型：當介質中質點振動方向與超聲波的傳播方向一致時，此超聲波為縱波波型。任何固體介質當其體積發生交替變化時均能產生縱波。在工業中應用主要采用縱向振蕩。

   

• 橫波波型：當介質中質點的振動方向與超聲波的傳播方向相垂直時，此種超聲波為橫波波型。由于固體介質除了能承受體積變形外，還能承受切變變形，因此，當其有剪切力交替作用于固體介質時均能產生橫波。橫波只能在固體介質中傳播。

   

• 表面波波型：是沿著固體表面傳播的具有縱波和橫波的雙重性質的波。表面波可以看成是由平行于表面的縱波和垂直于表面的橫波合成，振動質點的軌跡為一橢圓，在距表面1/4波長深處振幅最強，隨著深度的增加很快衰減，實際上離表面一個波長以上的地方，質點振動的振幅已經很微弱了。另外，超聲波也有折射和反射現象，并且在傳播過程中有衰減。在空氣中傳播超聲波，其頻率較低，一般為幾十KHz，而在固體、液體中則頻率可用得較高。在空氣中衰減較快，而在液體及固體中傳播，衰減較小，傳播較遠。

利用超聲波的特性，可做成各種超聲傳感器，配上不同的電路，制成各種超聲測量儀器及裝置，可用于測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等，并在通訊、醫療、家電、軍事、工業、農業等各方面得到廣泛應用。

能夠產生超聲波的方法很多，常用的有壓電效應方法、磁致伸縮效應方法、靜電效應方法和電磁效應方法等。當給壓電晶片兩極施加一個電壓短脈沖時，由于逆壓電效應，晶片將發生彈性形變而產生彈性振蕩。振蕩頻率與晶片的厚度和聲速有關，適當選擇晶片的厚度可以得到超聲頻率范圍的彈性波，即超聲波。此種方式發射出的是一個超聲波波包，通常稱為脈沖波。

目前有兩種常用的超聲波測距方案。一種是基于單片機或者嵌入式設備的超聲波測距系統，一種是基于CPLD (Complex Programmable Logic Device) 的超聲波測距系統。

如圖1所示，實驗采用第一種方案，利用嵌入式設備編程產生頻率為40KHz的方波，經過發射驅動電路放大，使超聲波傳感器發射端震蕩，發射超聲波。超聲波經發射物反射回來，由傳感器接收端接收，再經過接收電路放大、整形。以嵌入式微核心的超聲波測距系統，通過嵌入式設備記錄超聲波發射的時間和反射波的時間。當收到超聲波的反射波時，接收電路輸出端產生一個跳變。通過定時器計數，計算時間差，就可以計算出相應的距離。

圖1 超聲波測距原理

超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發射后遇到障礙物反射回來的時間，根據發射和接收的時間差計算出發射點到障礙物的實際距離。首先，超聲波發射器向某一方向發射超聲波，在發射時刻的同時開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為C=340m/s，根據計時器記錄的時間T 秒，就可以計算出發射點距障礙物的距離L，即：L=C×T /2 。這就是所謂的時間差測距法。

由于超聲波也是一種聲波，其聲速C與溫度有關，表1列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應通過溫度補償的方法加以校正。

表1 超聲波波速與溫度的關系

由于超聲波易于定向發射、方向性好、強度易控制、與被測量物體不需要直接接觸的優點，是作為倒車距離測量的理想選擇。

超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發生振動產生的，它具有頻率高、波長短、繞射現象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產生多普勒效應。因此，超聲波檢測廣泛應用在工業、國防、生物醫學等方面以超聲波作為檢測手段，必須產生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。

超聲波傳感器主要由雙壓電晶片振子、圓錐共振板和電極等部分構成。兩電極間加上一定的電壓時，壓電晶片就會被壓縮產生機械形變，撤去電壓后壓電晶片恢復原狀。若在兩極間按照一定的頻率加上電壓，則壓電晶片也會保持一定的頻率振動。經試驗測得此型號壓電晶片的固有頻率為38.4 KHz，則在兩極外加頻率為40KHz的方波脈沖信號，此時壓電晶片產生共振，向外發射出超聲波。同理，沒有外加脈沖信號的超聲波傳感器，在共振板接收到超聲波時也會產生共振，在兩極間產生電信號。

超聲波探頭主要由壓電晶片組成，既可以發射超聲波，也可以接收超聲波。小功率超聲探頭多作探測作用。它有許多不同的結構，可分直探頭（縱波）、斜探頭（橫波）、表面波探頭（表面波）、蘭姆波探頭（蘭姆波）、雙探頭（一個探頭反射、一個探頭接收）等。

超聲探頭的核心是其塑料外套或者金屬外套中的一塊壓電晶片。構成晶片的材料可以有許多種。晶片的大小，如直徑和厚度也各不相同，因此每個探頭的性能是不同的，我們使用前必須預先了解它的性能。超聲波傳感器的主要性能指標，包括：

• 三角誤差：當被測物體與傳感器成一定角度的時候，所探測的距離和實際距離有個三角誤差。

   

• 鏡面反射：這個問題和高中物理中所學的光的反射是一樣的。在特定的角度下，發出的聲波被光滑的物體鏡面反射出去，因此無法產生回波，也就無法產生距離讀數。這時超聲波傳感器會忽視這個物體的存在。

   

• 多次反射：這種現象在探測墻角或者類似結構的物體時比較常見。聲波經過多次反彈才被傳感器接收到，因此實際的探測值并不是真實的距離值。

這些問題可以通過使用多個按照一定角度排列的超聲波圈來解決。通過探測多個超聲波的返回值，用來篩選出正確的讀數。

這個問題可以通過對發射的超聲波進行編碼來解決，比如發射一組長短不同的音波，只有當探測頭檢測到相同組合的音波的時候，才進行距離計算。這樣可以有效的避免由于環境噪音所引起的誤讀。

解決的方法可以通過對每個傳感器發出的信號進行編碼。讓每個超聲波傳感器只聽自己的聲音。