超声波

　　人们可以听到的声音的频率为20Hz~2KHz，也就是可听声波，超出此频率范围的声音，20Hz以下的声音称为低频声波，20KHz以上的声音称为超声波 (Ultrasound)，一般说话的频率范围是10Hz-8KHz。超声波方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，超声波因其频率下限大约等于人的听觉上限而得名。
 

　　超声波频率分布

　　超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。超声波在介质中传播的波形取决于介质可以承受何种作用力以及如何对介质激发超声波。通常有如下三种：

　　纵波波型：当介质中质点振动方向与超声波的传播方向一致时，此超声波为纵波波型。任何固体介质当其体积发生交替变化时均能产生纵波。在工业中应用主要采用纵向振荡。

　　横波波型：当介质中质点的振动方向与超声波的传播方向相垂直时，此种超声波为横波波型。由于固体介质除了能承受体积变形外，还能承受切变变形，因此，当其有剪切力交替作用于固体介质时均能产生横波。横波只能在固体介质中传播。

　　表面波波型：是沿着固体表面传播的具有纵波和横波的双重性质的波。表面波可以看成是由平行于表面的纵波和垂直于表面的横波合成，振动质点的轨迹为一椭圆，在距表面1/4波长深处振幅最强，随着深度的增加很快衰减，实际上离表面一个波长以上的地方，质点振动的振幅已经很微弱了。另外，超声波也有折射和反射现象，并且在传播过程中有衰减。在空气中传播超声波，其频率较低，一般为几十KHz，而在固体、液体中则频率可用得较高。在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。

　　利用超声波的特性，可做成各种超声传感器，配上不同的电路，制成各种超声测量仪器及装置，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等，并在通讯、医疗、家电、军事、工业、农业等各方面得到广泛应用。

　　能够产生超声波的方法很多，常用的有压电效应方法、磁致伸缩效应方法、静电效应方法和电磁效应方法等。当给压电晶片两极施加一个电压短脉冲时，由于逆压电效应，晶片将发生弹性形变而产生弹性振荡。振荡频率与晶片的厚度和声速有关，适当选择晶片的厚度可以得到超声频率范围的弹性波，即超声波。此种方式发射出的是一个超声波波包，通常称为脉冲波。

　　超声波测距

　　超声波测距系统主要应用于汽车的倒车雷达、及机器人自动避障行走、建筑施工工地以及一些工业现场例如：液位、井深、管道长度等场合。

　　目前有两种常用的超声波测距方案。一种是基于单片机或者嵌入式设备的超声波测距系统，一种是基于CPLD (Complex Programmable Logic Device) 的超声波测距系统。

　　如图1所示，实验采用第一种方案，利用嵌入式设备编程产生频率为40KHz的方波，经过发射驱动电路放大，使超声波传感器发射端震荡，发射超声波。超声波经发射物反射回来，由传感器接收端接收，再经过接收电路放大、整形。以嵌入式微核心的超声波测距系统，通过嵌入式设备记录超声波发射的时间和反射波的时间。当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个跳变。通过定时器计数，计算时间差，就可以计算出相应的距离。