【文章內(nèi)容簡介】 機(jī)控制系統(tǒng)、距離顯示等設(shè)備組成。 “ 利用超聲波的發(fā)射和接受 ” 是 超聲波測距的原理， 距離 =超聲波傳播時間超聲測距 — 汽車倒車?yán)走_(dá)的設(shè)計 4 *超聲波速度 。 可被實際應(yīng)用 的 超聲 測距方法 一般 有兩種 ： 一種是發(fā)射波 抵達(dá) 物體 后，然后被 反射回來后 再 接收的反射波方 式， 常應(yīng) 用于測距儀； 另 一種是在被測距離的兩端，一端發(fā)射， 一端接收的直接波方式。 本 設(shè)計采用 第一種方法 。 超聲波傳感器的選擇 決定了 測距儀的分辨率。超聲波傳感器是一種采用壓電效應(yīng)的傳感器， 經(jīng)常使用 的 材質(zhì) 是壓電陶瓷。 因為 超聲波在空氣中傳播時會有一定程度 的衰減，衰減的程度與頻率的高低 是 正 相關(guān)關(guān)系 ；而頻率高分辨率也高，所以 短距離測量時應(yīng) 該 選擇頻率高的傳感器， 但是 長距離的測量時應(yīng) 該使 用低頻率的傳感器。 太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 5 意大利科學(xué)家斯帕拉捷習(xí) 慣晚飯后到附近的街道上散步。他常?？吹?，很多蝙蝠靈活的在空中飛來飛去，卻從不會撞到墻壁上。這個現(xiàn)象引起了他的好奇：蝙蝠憑什么特殊本領(lǐng)在夜空中自由自在的飛行呢？為了弄清其中原委，斯帕拉捷做了一系列試驗。先后蒙住蝙蝠眼睛和堵住蝙蝠鼻子，蝙蝠均能準(zhǔn)確地分辨障礙物。只有當(dāng)耳朵被堵住時，蝙蝠就不能分辨障礙物。斯帕拉捷的實驗，揭開了蝙蝠飛行的秘密。后來人們繼續(xù)研究，終于弄清了 蝙蝠“超聲定位”的原 理 —— 原來，蝙蝠 通過喉部器官 發(fā)出人聽不見的“超聲波”，這種 “波” 沿著直線傳播，根據(jù)反射原理，同樣可以極快的反射過來 。蝙蝠 再 用耳 朵接 收 這種“超聲波”，就能迅速做出判斷， 完成滿足自身要求的各種活動。 當(dāng)然，以上的故事是個美麗的楔子。真正超聲波的研究和發(fā)展，與媒質(zhì)中超聲波的產(chǎn)生和接收的研究密切相關(guān)。自 19世紀(jì)末到 20世紀(jì)初，在物理學(xué)上發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)與反壓電效應(yīng)之后，人們解決了利用電子學(xué)技術(shù)產(chǎn)生超聲波的辦法，從此迅速揭開了發(fā)展與推廣超聲波技術(shù)的歷史篇章。 1883年 Galton首次制成超聲波氣哨，其原理是將壓縮氣體經(jīng)過狹縫噴嘴形成氣流，吹動圓形刀口振動形成共振腔，從而產(chǎn)生超聲波。此后又出現(xiàn)了各種形式的汽笛和夜哨等機(jī)械型超聲波換能器。 20世紀(jì) 初， 由于電子學(xué)的發(fā)展， 人們 可以應(yīng) 用 一 些材料的 “ 壓電效應(yīng) ” 和 “ 磁致伸縮效應(yīng) ”制造 各種 “ 機(jī)電換能器 ” 。 1917年，法國物理 家朗之萬 利 用天然壓電石英制 作 成 功 了 “ 夾心式超聲換能器 ” ，并成功地 將其 應(yīng)用于水下探測潛艇。伴 隨著 超聲應(yīng)用 在 國民經(jīng)濟(jì) 、軍事 各部門中的不 停 發(fā)展，又出現(xiàn)更大 、性能更好的 超聲功率的磁致伸縮換能器， 還出現(xiàn)了 各種 種類 不同用途的電動型、電磁力型、靜電型等多種 “ 超聲換能器 “ 。 人類直到第一次世界大戰(zhàn)才學(xué)會利用超聲波，這就是利用“聲納”的原理來探測水中目標(biāo)及其狀態(tài)，如潛艇的位置等。 40年代末期超聲波治療在歐美興 起，直到 1949年召開的首屆 國際醫(yī)學(xué)超聲波學(xué)術(shù)會議上，才 第一次出現(xiàn) 了超聲治療方面的 學(xué)術(shù) 交流，為超聲治療學(xué)的發(fā)展奠定了 較為系統(tǒng)的理論 基礎(chǔ)。醫(yī)學(xué)上最早利超聲測距 — 汽車倒車?yán)走_(dá)的設(shè)計 6 用超聲波是在 1942年，奧地利醫(yī)生杜西克首次用超聲波技術(shù)掃描腦部結(jié)構(gòu)，以后到了 60年代醫(yī)生們開始將超聲波應(yīng)用于腹部器官的探測。 直到 1956年第二次 國際超聲醫(yī)學(xué)學(xué)術(shù)會議上 才 有 更多有新見解的 論文發(fā)表，超聲治療 才真正 進(jìn)入 到 實用成熟階段。 材料科學(xué)的發(fā)展，使得應(yīng)用 頻率非常高 的壓電換能器也由 最初的 天然壓電晶體發(fā)展到 價格低廉、性能 優(yōu)越、機(jī)電耦合系數(shù)高 的 塑料壓電薄膜 (PVDF)、 壓電陶瓷、 壓電半導(dǎo)體以及人工壓電單晶 等。產(chǎn)生和檢測超聲波的頻率，也由幾十千赫上升 到上千兆赫。產(chǎn)生和接收的波型也由 最初 單純的縱波 發(fā)展擴(kuò)大 為 扭轉(zhuǎn)波、 橫波、 表面波 、彎曲波 等。 例如 頻率為幾十兆赫 至 上千兆赫的微型表面波都已成功地 應(yīng) 用于 成像技術(shù) 、 電子通信和 雷達(dá) 等方面。 如今，超聲波已廣泛應(yīng)用于測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等，在醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應(yīng)用。 由于超聲波在物理化學(xué)方面的獨(dú)特特性，所以超聲波在許多方面都有廣泛的應(yīng)用。歸結(jié)起來，超聲波主要應(yīng)用在以下幾個方面： (1) 在檢驗方面的應(yīng)用 超聲波的波長比一般聲波要短，具有較好的方向性，而且能透過不透明物質(zhì)，這一特性已被廣泛用于超聲波探傷、測厚、測距、遙控和超聲成像技術(shù)。 超聲波探傷是利用超聲波能透入金屬材料的深處，并由一截面進(jìn)入另一截面時，在界面邊緣發(fā)生反射的特點(diǎn)來檢查零件缺陷的一種方法，當(dāng)超聲波束自零件表面由探頭通至金屬內(nèi)部，遇到缺陷與零件底面時就分別發(fā)生反射波來，在熒光屏上形成脈沖波形，根據(jù)這些脈沖波形來判斷缺陷位置和大小。超聲波測厚，是根據(jù)超聲波脈沖反射原理來進(jìn)行厚度測量的，當(dāng)探頭發(fā)射的超聲波脈沖通過被測物體到達(dá)材料 分界面時，脈沖被反射回探頭，通過精確測量超聲波在材料中傳播的時 長 來確定被測材料的厚度。 超聲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(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間，根據(jù)發(fā)射 到 接收的時間 長短 計算出 障礙物 到 發(fā)射點(diǎn) 的距離長短。超聲 測距主要應(yīng)用 場合有： 工業(yè)現(xiàn)場 、 建筑工地、 倒車 入庫 等的距離 長短 測量，雖然 當(dāng) 前的測距量程上能達(dá)到百米 數(shù)量級 ，但 是 測量的精度 卻僅太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 7 能達(dá)到厘米 。 超聲成像是利用超聲波呈現(xiàn)不透明物內(nèi)部形象的技術(shù)，把 由 換能器發(fā)出的超聲波經(jīng) 過 聲透鏡聚焦 到 不透明 的 試樣上 面 ，從試樣透 射 出的超聲波攜帶了被照 射部位的信息（如對聲波的 吸收 、 散射和 反射的能力 大小 ），經(jīng)聲透鏡匯 集到 壓電接收器上， 然后將 電信號輸入 至 放大器， 應(yīng) 用掃描系統(tǒng)可 以 把不透明試樣的形象顯示 到 熒光屏上。 上面所描述的 裝置 叫做 超聲顯微鏡。超聲成像技術(shù)已 經(jīng) 在醫(yī)療檢查方面獲得 非常廣泛的應(yīng)用 ，在微電子器件制造業(yè)中用來對 LSI 進(jìn)行檢 測 ，在材料科學(xué)中用 于 顯示合金中 晶粒間界和 不同組分的區(qū)域等 信息 。 “ 聲全息術(shù) ” 是應(yīng)用超聲波干涉原理記錄和重現(xiàn)不透明物的立體圖像聲成像技術(shù)，它的 原理 和 光波的全息術(shù)基本 原理一樣 ， 不同的地方是兩者的記錄手段不同 。 (2) 在超聲處理方面的應(yīng)用 利用超聲的機(jī)械效應(yīng)、溫?zé)嵝?yīng)、理化效應(yīng)，可進(jìn)行超聲焊接、鉆孔、固體的粉碎、乳化 、脫氣、除塵、清洗、滅菌、促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)和進(jìn)行生物學(xué)研究等，在工礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療等各個部門獲得了廣泛應(yīng)用。 超聲波焊接是利用高頻振動波傳遞到兩個需焊接的物體表面，在加壓的情況下，使兩個物體表面相互摩擦而形成分子層之間的熔合。超聲波焊接主要分超聲波塑料焊接和超聲波金屬焊接，超聲波塑料焊接具 有焊接速度快，焊接強(qiáng)度高、密封性好的優(yōu)點(diǎn)；而超聲波金屬焊接的優(yōu)點(diǎn)在于快速、節(jié)能、熔合強(qiáng)度高、導(dǎo)電性好、無火花、接近冷態(tài)加工。針對所有的應(yīng)用市場，超音波焊接其特有的優(yōu)點(diǎn)—— 快捷、高效、清潔和牢固，贏得了各行各業(yè)的認(rèn)可，在汽車、家電、包裝、玩具業(yè)、電子等行業(yè)的應(yīng)用也越來越廣泛。 超聲波清洗是利用超聲波在液體中的空化作用、加速度作用及直進(jìn)流作用對液體和污物直接、間接的作用，使污物層被分散、乳化、剝離而達(dá)到清洗目的。目前所用的超聲波清洗機(jī)中，空化作用和直進(jìn)流作用應(yīng)用得更多。超聲波清洗具有清洗效果好、清洗速度快、清潔 度高，不須人手接觸清洗液，安全可靠，對工件表面無損傷，節(jié)省溶劑、熱能、工作場地和人工等諸多優(yōu)點(diǎn)。超聲波清洗方式超過一般的常規(guī)清洗方法，特別是工件的表面比較復(fù)雜像一些表面凹凸不平、有盲孔的機(jī)械零部件，一些特別小而對請潔度有較高要求的產(chǎn)品如：鐘表和精密機(jī)械的零件，電子元器件，電路板組件等，使用超聲波清洗都能達(dá)到很理想的效果。 超聲測距 — 汽車倒車?yán)走_(dá)的設(shè)計 8 超聲波技術(shù)在醫(yī)療方面的獨(dú)特療效已得到醫(yī)學(xué)界的普遍認(rèn)可，并越來越被臨床重視和采用。超聲波治療時將超聲波能量作用于人體病變部位，以達(dá)到治療疾患和促進(jìn)機(jī)體康復(fù)的目的。超聲波的機(jī)械作用可軟化組織， 增強(qiáng)滲透，提高代謝，促進(jìn)血液循環(huán)，刺激神經(jīng)系統(tǒng)和細(xì)胞功能，因此具有超聲波獨(dú)特的治療意義。超聲溫?zé)嵝?yīng)可增加血液循環(huán)，加速代謝，改善局部組織營養(yǎng)，增強(qiáng)酶活力。一般情況下，超聲波的熱作用以骨和結(jié)締組織為顯著，脂肪與血液為最少。超聲波治療以療效獨(dú)特，長期治療無毒副作用的安全特性見長，在肢體運(yùn)動康復(fù)、心腦血管疾病治療方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢，其體外無創(chuàng)的物理治療手段比較適合在社區(qū)、醫(yī)院運(yùn)用。 (3) 在基礎(chǔ)研究方面的應(yīng)用 超聲學(xué)是研究超聲的科學(xué)，它是聲學(xué)的一個重要分支。超聲學(xué)是研究超聲的產(chǎn)生、接收和在媒質(zhì)中的傳播規(guī)律，超 聲的各種效應(yīng)，以及超聲在基礎(chǔ)研究和國民經(jīng)濟(jì)各部門的應(yīng)用等內(nèi)容的聲學(xué)重要分支。機(jī)械運(yùn)動是最簡單、也最普通的物質(zhì)運(yùn)動，它和其他形式的物質(zhì)運(yùn)動以及物質(zhì)結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系非常密切。超聲振動本身就是一種機(jī)械運(yùn)動，因此，超聲方法也是研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)的一個重要途徑。 20世紀(jì) 40 年代起，人們在研究媒質(zhì)中超聲波的聲速和聲衰減隨頻率變化的關(guān)系時，就陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了它們與各種分子弛豫過程（如分子的內(nèi)、外自由度之間能量轉(zhuǎn)換的熱弛豫，分子結(jié)構(gòu)狀態(tài)變化的結(jié)構(gòu)弛豫等過程）及微觀諧振過程（如鐵磁、順磁、核磁共振等）之間的關(guān)系，通過物質(zhì)對超聲的吸收規(guī)律可 探索物質(zhì)的特性和結(jié)構(gòu)，這些方面的研究構(gòu)成了分子聲學(xué)這一聲學(xué)分支。隨著人們能產(chǎn)生和接收的超聲波頻率的不斷提高，已正在逐步接近點(diǎn)陣熱振動的頻率，利用這些甚高頻超聲的量子化聲能──聲子來研究原子間的相互作用、能量傳遞等問題是十分有意義的。通過對甚高頻超聲聲速和衰減的測定，可以了解聲波與點(diǎn)陣振動的相互關(guān)系及點(diǎn)陣振動各模式之間的耦合情況，還可以用來研究金屬和半導(dǎo)體中聲子與電子、聲子與超導(dǎo)結(jié)、聲子與光子的相互作用等。因此，超聲和電磁輻射及粒子轟擊一起列為研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)和微觀過程的三大重要手段。與之有關(guān)的一門新分支學(xué)科──量子聲學(xué)也正在形成。超聲學(xué)是一門應(yīng)用性和邊緣性很強(qiáng)的學(xué)科，從它一百多年來的發(fā)展可以看出，超聲學(xué)是隨著它在國防、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)、基礎(chǔ)研究等領(lǐng)域中應(yīng)用的不斷深入而得到發(fā)展的。它不斷借鑒電子學(xué)、超聲學(xué)材料科學(xué)、光學(xué)、固體物理等其他學(xué)科的內(nèi)容，而使自己更加豐富。同時，超聲學(xué)的發(fā)展又太原工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 9 為這些學(xué)科的發(fā)展提供了一些重要器件和行之有效的研究手段。但是，超聲學(xué)仍是一門年輕的學(xué)科，其中存在著許多尚待深入研究的問題，對許多超聲波應(yīng)用的機(jī)理還未徹底了解，況且實踐還在不斷地向超聲學(xué)提出各種新的課題，而這些問題的不斷提出和解決，都 已表明了超聲學(xué)是在不斷地向前發(fā)展著。 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)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 340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間 t，就可以計算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離 (s)，即： s=340t/2 最常用的超聲測距的方法是回聲探測法 ， 超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波，在發(fā)射時刻的同時計數(shù)器開始計時，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物面阻擋就立即反射回來，超聲波接收器收到反 射回的超聲波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為 340m/s，根據(jù)計時器記錄的時間 t，就可以計算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物面的距離 s，即： s=340t/2。 由于超聲波也是一種聲波，其聲速 V與溫度有關(guān)。在使用時，如果傳播介質(zhì)溫度變化不大，則可近似認(rèn)為超聲波速度在傳播的過程中是基本不變的。如果對測距精度要求很高，則應(yīng)通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽y量結(jié)果加以數(shù)值校正。聲速確定后， 只要測得超聲波往返的時間，即可求得距離。這就是超聲波測距儀的基本原理。如圖 1所示。 圖 1 ?cosSH? （ 21） 超聲測距 — 汽車倒車?yán)走_(dá)的設(shè)計 10 )(HLarctg?? （ 22） 式中 :L兩探頭之間中心距離的一半。 又知道超聲波傳播的距離為 : vtS?2 (23) 式中 :v— 超聲波在介質(zhì)中的傳播速度； t— 超聲波從發(fā)射到接收所需要的時間。 將（ 2— 2）、（ 2— 3）代入（ 21）中得： (24) 其中 ,超 聲波的傳播速度 v 在一定的溫度下是一個常數(shù) (例如在溫度 T=20 度時 ,V=344m/s)；當(dāng)需要測量的距離 H遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 L 時 ,則 (2— 4)變?yōu)?: (25) 所以 ,只要需要測量出超聲波傳播的時間 t,就可以得出測量的距離 H。