剖析超声波与传感器的工作原理

1 超声波简介

我们把频率高于 20KHz 的声波称为超声波，超声波具有良好的方向性和穿透能力，特别是在水中，传播距离更远。无论是在军事上、农业上还是在生活中都有广泛的应用，可以用来测速度、测距离、消毒杀菌、清洗、焊接等。

人耳能听到的超声波频率范围大概是 20Hz-20KHz，超声波的频率大于人类听觉上限，因此叫做“超声波”。

超声波与普通声波一样，也具有反射、折射、衍射、散射等特点，但是超声波的波长较短，有的是几厘米，最低可至千分之几毫米。波长越短，声波的衍射特性就越差，可以在介质中稳定地进行直线传播，因此波长较短的超声波具有很强的直线传播能力。众所周知，声音在空气中传播时，会推动空气中的粒子振动做功，而声波功率的大小表示声波做功快慢，在相同环境下，声波的频率越高功率就越大。超声波的频率大于 20KHz，因此超声波的功率较高。

超声波主要有两个参数：

频率：F≥20000Hz（通常把 F≥15000Hz 的声波也称为超声波）；

功率密度：p=发射功率(W)/ 发射面积(cm2)；通常 p≥0.3w/cm。

超声波具有如下特性：

（1） 超声波具有在气体、液体、固体等介质中进行效传播的能力。

（2） 超声波具有很强的传递能量的能力。

（3） 超声波具有反射特性，还会产生干涉、叠加和共振现象。

（4） 超声波在液体介质中传播时，可在界面上产生空化现象和强烈的冲击。

2 超声波用途

超声波在生活中的很多方面都有应用，主要有以下几个方面：

1）医学方面

在医学方面，超声波主要应用为医学诊断与临床治疗。医学诊断中，超声波的主要应用为 B 超。由于超声波具有反射、折射等特点，如果将超声波发射到人体内，它就会在人体内部发生反射，人体内部各个器官形状大小都不一样，因此反射回来的声波方向、强度等信息也不同，医生通过对反射回来的声波进行分析，再结合一些医学方面的专业知识，就可以知道人体内部的某些部位是否产生病变。

在临床治疗中，超声波主要被用来杀死肿瘤细胞和超声针灸，我们知道超声波的功率很大，利用医学影像技术，将多束超声波聚焦在病变的细胞上，控制好照射的强度和时间，短时间的温度将达到 70~100℃，在保护周围组织的同时杀死了病变细胞。

超声针灸就是利用超声波技术来刺激穴位，这种疗法对组织没有损伤，而且具有无痛、无不适应等优点，在治疗小孩子或者一些害怕针灸的患者时有很好的效果。此外，超声波在体外碎石，理疗、牙科等方面也经常使用。

2）超声清洗

超声清洗主要基于空化作用，空化作用总体上就是在有压力和无压力作用时，每一秒都进行着几万次这样的变换，超声波在液体内部不断地进行透射作用，在没有压力作用时，液体内部就会出现真空核泡群，在有压力作用时，真空核泡群在压力的作用下产生强大的冲击力，因此可以带走物体表面的污垢，完成清洗工作。一些表面凹凸不平的器件，或者特别小难以清洗的部件，例如钟表、电子元器件、电路板等都可以达到很好的清洗效果。而且随着超声波频率的升高，空化作用的效果会减弱，因此超声波清理的效果很好却不会伤害到器件表面。

3）超声测距

由于超声波的波长相对较短，具有良好的方向性和穿透能力，能量消耗的比较慢，在介质中传播距离较远。而且超声测距的原理简单，比其他的测距方式都方便容易操作，计算也比较简便，测量精度也能满足要求，因此在一些移动式机器人或者导盲系统中有广泛的应用。

3 超声波传感器

1）超声波传感器简介

超声波传感器是根据超声波的一些特性制造出来的，用于完成对超声波的发射和接收，内部的换能晶片受到电压的激励而发生振动产生超声波，超声波的频率高、波长短、方向性好、可以线性传播、对液体或者固体有不错的穿透效果，比如一些不透明的物体，超声波可以穿透几十米，而且它在遇到杂质等等物体时会发生反射现象，从而产生回波。

想要用超声波完成检测工作，必须要有一个既可以发出超声波又可以接收超声波的装置，能实现这样功能的装置我们称为超声波传感器，也叫作超声波换能器或者超声探头。

超声波传感器内部的主要部件是压电晶片，它在受到电压的刺激时就可以发射超声波，然后由接收端进行接收。小功率超声波传感器大多用来进行检测，例如一些导盲、坐姿矫正的产品，应用的就是小功率传感器，大功率的超声波传感器在生活中并不常见。超声波传感器有许多不同的结构，可分直探头、斜探头、表面波探头、兰姆波探头、双探头（一个用来发射、一个用来接收）等。

2）超声波传感器工作原理

超声波传感器主要由发送部分、接收部分、控制部分和电源部分构成。

其中，发送部分由发送器和换能器构成，换能器可以将压电晶片受到电压激励而进行振动时产生的能量转化为超声波，发送器将产生的超声波发射出去；

接收部分由换能器和放大电路组成，换能器接收到反射回来的超声波，由于接收超声波时会产生机械振动，换能器可以将机械能转换成电能，再由放大电路对产生的电信号进行放大；

控制部分就是对整个工作系统的控制，首先控制发送器部分发射超声波，然后对接收器部分进行控制，判断接收到的是否是由自己发射出去的超声波，最后识别出接收到的超声波的大小；

电源部分就是整个系统的供电装置。这样，在电源作用下、在控制部分控制下，发送器与接收器两者协同合作，就可以完成传感器所需的功能。

3）超声波发生器

为了方便对超声波的研究和利用，人们设计出了许多种类的超声波发生器，各种发生器中超声波的产生方式不同，有电气方式也有机械方式，所以用途也不尽相同。每一种发生器都有自己的应用范围，但是就目前来讲，被普遍使用的还是压电式超声波发生器。

压电式超声波发生器的关键部分是内部的压电晶片，主要是利用压电晶片的谐振来工作，发生器内部有两个压电晶片和一个共振板。

在发生器的两电极之间外加一个脉冲信号，当外加信号的频率与压电晶片的频率相等时，压电晶片就会发生振动，同时也会带动共振板进行振动，这时就会产生超声波，这就是超声波发生器的发送端；但是如果发生器的两电极之间没有外加脉冲信号，而共振板又接收到了发射的超声波时，就会迫使压电晶片发生振动，然后产生的机械能转换为电信号，这就是超声波发生器的接收端。

4）超声波测距原理

超声波测距的原理十分简单，由超声波的发射端发射一束超声波，在发射的同时，计时开始，发射出去的超声波在介质中传播，声波具有反射特性，当遇到障碍物时就会反射回来，当超声波的接收端接收到反射回来的超声波时，计时停止。介质为空气时，声速为 340m/s，根据记录的时间 t，利用公式（2.1）计算出发射位置与障碍物之间的距离。

这就是所谓的时间差测距法。

超声波测距的原理就是已知超声波在介质中的传播速度，测量出从发射到接收所需的时间，根据测量出的时间来计算出障碍物的距离。因此，超声波测距的原理与回声定位是一样的。

测距的公式如式（2.2）所示：

式中 L 为测量的距离长度；C 为超声波在介质中的传播速度；T 为测量出传播时间的一半。

由于超声波的波长相对较短，具有良好的方向性和穿透能力，在用作测量时具有很高的精度，但是仍然有一些因素可以让超声波测距产生误差。

5）超声波测距误差分析

由超声波测距的公式可知，测距时误差产生的原因主要为超声波在介质中的传播速度和测量距离时超声波传播所需要的时间。

假设要求测量距离时的误差小于 1mm，已知超声波在空气中的传播速度 C=344m/s (20℃室温)，忽略掉超声波的传播误差。测距误差 s△t<(0.001/344)≈0.000002907s 即 2.907μs。所以，只要保证测距时的时间误差精度在微妙时，就可以让测量误差小于 1mm。

超声波的传播速度与介质的密度有关，密度越高的时候超声波的传播速度也就越快，当介质为空气时，空气的密度又与温度有关，因此超声波的传播速度受温度影响。

已知超声波的传播速度与温度的关系如下：

式中：r —气体定压热容与定容热容的比值，对空气为 1.40，

R —气体普适常量，8.314kg·mol-1·K-1，

M—气体分子量，空气为 28.8×10-3kg·mol-1，

T—绝对温度，273K+T℃。

近似公式为：

式中：表示零 0℃时的声波传播速度；T 表示实际的温度。

另外，在利用超声波测距时还要考虑环境因素，其中最为主要的就是温度的影响，在 0℃和 30℃时，超声波的速度明显不同。因此，在进行高精度测量时，应考虑到温度变化的影响。

编辑：jq