【文章內(nèi)容簡介】 到地“超聲波”，這 個東西是根據(jù)直線傳播地，撞到目標體后能夠反射返回。蝙蝠它可以接受到這個“超聲波”，因此蝙蝠能夠馬上做出判斷，自由地飛，捕到獵物。 不過，對于超聲波得研發(fā)和利用，是和介質(zhì)里超聲波得產(chǎn)生與接收地研發(fā)是息息相關(guān)地。從 19世紀末到 20世紀初，科學(xué)家在物理學(xué)上發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)和反壓電效應(yīng)之后，人們懂得使用電子學(xué)技術(shù)產(chǎn)生超聲波地方法，自此之后，超聲波效果有了飛快地利用與推廣。在 1883年， Galton第一次制做了超聲波氣哨。自此之后，連續(xù)相聚地發(fā)明了各樣地汽笛等機械型超聲波換能器。在 20世紀初，科學(xué)家們能夠使用個別物質(zhì)得 壓電效應(yīng)與磁致伸縮效應(yīng)研發(fā)各類機電換能器。在 1917年， France物理學(xué)家 Paul Langevin利用天然壓電石英制作成夾心式樣超聲換能器，并且正確使用在了用在海里面得探測潛艇上。超聲應(yīng)用伴著在軍事中不斷發(fā)展，相聚地發(fā)明了越來越大超聲功率地磁致伸縮換能器，還有各種不盡相似功能地超聲換能器。 超聲波是人們在第一次世界大戰(zhàn)中才知道使用的，則是利用“聲納”的原理來探知水下面敵方潛艇地位置等。超聲波治病是再 40年代末期得歐美發(fā)展起來地。 1942年，醫(yī)生鍍錫克是再醫(yī)學(xué)上最早使用超聲波技術(shù)檢測腦袋構(gòu)成地，此后至 60年代，醫(yī)生者們逐漸使用超聲波對于腹部器官得探測。 1956年第 2屆國際超聲醫(yī)學(xué)學(xué)術(shù)會議上已經(jīng)很多地意見發(fā)言，于是超聲治病逐漸地跑入正確地使用軌道。 而到了科技日益發(fā)達地現(xiàn)在，超聲波效果已經(jīng)廣泛地使用在測距、測速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等方面，不同低領(lǐng)域方面，比如醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)也有非常多地使用。 超聲波的應(yīng)用 因為 超聲波在化學(xué)和物理方面特殊的特性，因此超聲波被廣泛的使用在很多不同的方面。比如以下的三個方面： 江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 5 (1) 在檢驗方面的應(yīng)用： 超聲波有著很好地方向性，而且能夠穿過不明顯地東西，但是它地波 長比一般地聲波短。因此，測量距離，測量厚度與超聲成像技術(shù)等都是因為這一特性而唄應(yīng)用在這方面的。 超聲波測量距離地原理是依據(jù)我們已經(jīng)知道得超聲波于空氣里地運行速度，計量出聲波發(fā)出去后碰到目標物體返回來地所需要得時間，最后，再依據(jù)發(fā)出去與接收地時間計量發(fā)出點離目標物體得真正有多近。超聲波測距大部分使用在建筑行業(yè)和工業(yè)工廠方面地有多近的計量。 超聲成像技術(shù)應(yīng)用在超聲顯微鏡上。其中就是根據(jù)了超聲波能夠展現(xiàn)看不清物體地結(jié)構(gòu)，依據(jù)換能器發(fā)過去地超聲波被聲透鏡聚集在看不清楚樣品里，從試樣透出地超聲波帶著被照部位探知地內(nèi)容 ，被聲透鏡聚集于壓電接收器里，所得到地電信號進到放大器，根據(jù)探測系統(tǒng)可以使得看不清楚樣品地結(jié)構(gòu)展現(xiàn)于熒光屏上面。于醫(yī)學(xué)治病部分，超聲成像效果已經(jīng)得到了廣泛地使用，于微電子器件制作能夠?qū)Υ笠?guī)模集成電路實行探測，于材料科學(xué)里能夠展現(xiàn)合金里不一樣結(jié)構(gòu)地區(qū)域與晶粒結(jié)界。聲全息術(shù)地含義和光波得全息術(shù)含義差不多都一樣，不過是錄下地方式不一樣，其使用了超聲波地干涉涵義方式與重新顯示不清楚物質(zhì)地立體圖像地聲成像技術(shù)。 (2) 在超聲處理方面地應(yīng)用： 超聲波有著機械效應(yīng)、溫?zé)嵝?yīng)、理化效應(yīng)。能夠?qū)嵤┏暫附?、固體地破碎、清洗、滅菌、實行化學(xué)反應(yīng)與對生物學(xué)地探發(fā)，因此于工礦業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)等方面有著非常多地使用。 超聲波焊接是有著綠色能源，高效率，快捷等優(yōu)點。超聲波焊接分為兩種焊接方式：超聲波金屬焊接與超聲波塑料焊接。 超聲波清洗有著非常得優(yōu)點，清洗地速度很快，清潔地很干凈，效果很不錯，而且還是安全無污染。其根據(jù)地就是超聲波于液體里地直進流作用，加速度作用與空化作用，能夠讓污染部分被分散、乳化 、剝離，達到潔凈地結(jié)果。而其中直進流作用和空化作用在當前來說是被廣泛應(yīng)用的。超聲波清洗的方式比常規(guī)的清洗方式好極了很多，針對復(fù)雜的機械零部件和小的產(chǎn)品有著很特別效果。 超聲波技術(shù)在醫(yī)學(xué)方面被越來越受重視與采用了，其特別好的醫(yī)療效果在醫(yī)學(xué)界也得到了醫(yī)生們的認可。超聲波在治病得時候，讓超聲波地機械作用發(fā)送地超聲波作用，作用在人們身體生病部分，能夠軟化組織，增強滲透，提高代謝，促進血液循環(huán)，刺激神經(jīng)系統(tǒng)與細胞，為患者治療疾病以達到康復(fù)。超聲溫?zé)嵝?yīng)能夠促進血液地循環(huán)，加快身體地新城代謝，改善內(nèi)部構(gòu)成營養(yǎng)，增加酶活力，并且長期治療無毒五副作用，很安全。 （ 3） 在基礎(chǔ)研究方面的應(yīng)用：超聲學(xué)作為聲音學(xué)中地某種特別地構(gòu)成結(jié)構(gòu)重，其則為探嚴超聲地科學(xué)。超聲學(xué)則為研究超聲地產(chǎn)生、接收與在介 質(zhì)中地傳播規(guī)則。因為超聲振動它屬于機械運動，所以可以通過超聲方法研究物質(zhì)地構(gòu)成。早在 20 世紀 40年代，科學(xué)家們研究介質(zhì)中超聲波地聲速與聲衰減隨頻率變化地聯(lián)系時發(fā)現(xiàn)，它們與各樣分子弛豫過程及微觀諧振過程兩者地關(guān)聯(lián)。 超聲波測距方法 幅值檢測法，相位檢測法與渡越時間法則為超聲波測距地三種主要方法。不過其中地曾晨昶：基于單片機汽 車倒車超聲波報警器的設(shè)計與實現(xiàn) 6 幅值檢測法，超聲波地傳播行為里，空氣里雜質(zhì)得數(shù)量不一樣，衰減系數(shù)也不一樣，因此，它得穩(wěn)定性和檢測正確度大打折扣，不適應(yīng)于這個設(shè)計。對于相位檢測法，其檢測精度高，不過能檢 測到的距離有比較有限， 也不能達到這 次設(shè)計的要求。最后，渡越時間法其電路比較容易實現(xiàn)，工作的原理也比較簡單。一方面，檢測距離與傳感器地發(fā)射功率和電路地放大倍數(shù)成正比，所以，超聲波在傳播過程中受到地影響而導(dǎo)致不能探測到最大距離能夠利用提升放大倍數(shù)和使用發(fā)射功率大地超聲波探頭結(jié)束這個副作用。另一方面，需要對溫度進行補償，因為超聲波于空氣中傳播會受到溫度得影響，這個可以于軟件與硬件上也實現(xiàn)。因此，渡越時間法被推薦為這次設(shè)計中用的測距方法。 超聲波測距原理 ： 回聲探測法則為普遍地超聲測距方法。 超聲波 于 空氣中 地 傳播速度為 340m/s，超聲波發(fā)射器 對 某 個 位置 發(fā) 出去 超聲波， 這時馬上計時 ， 在遇 到 目標物體 就 馬上向原來的方向回去 ， 在 超聲波接收器 已經(jīng)接到返回來地聲 波 則馬上 停止計時。 最后，利用 計時器記錄 得 時間 t， 則能夠 算出發(fā) 射處離目標物體得 距離 (s)，： s=340t/2。 因為超聲波屬于聲波，所以它的 V聲速和溫度有關(guān)聯(lián)。當傳播的時候，溫度于傳播介質(zhì)中不會有什么變化，可以認作其速度不變。在知道聲速以后，需測得了超聲波到障礙物之間往返的時間，就可以算得到距離。這就是其基本原理。 如下圖所示； t 超聲波發(fā)射 障礙物 S H θ 超聲波接收 ?cosSH? （ 31） 江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 7 )(HLarctg?? （ 32） L是兩個探頭之間中心距離得一半。 了解到超聲波傳播的距離 為 : vtS?2 (33) v是超聲波于介質(zhì)中得傳播速度； t是超聲波于發(fā)出去到接收所用掉得時間。 將（ 3— 2）、（ 3— 3）代入（ 31）中得： ]c o s [21 HLarc tgvtH ? (34) 于特定地溫度中，超聲波得傳播速度 v為某種常數(shù) (例如于溫度 T=20 度時 ,V=344m/s)；如果要測量地距離 H大于 L時 ,則 (3— 4)變?yōu)?: vtH 21? (35) 因此 ,只需計量到超聲 波傳播得時間 t,則能夠算出測量得距離 H。 曾晨昶：基于單片機汽 車倒車超聲波報警器的設(shè)計與實現(xiàn) 8 整體系統(tǒng)設(shè)計框圖 AT89C51 單片機是這次設(shè)計的核心。最前面通過聲波換能器發(fā)出去 40KHz 得超聲波方波信號，而定時器 T0有方波驅(qū)動信號產(chǎn)生，此時，再啟動計數(shù)器 T1用來計算方波從發(fā)射到接收所用地時間。經(jīng)過障礙物返回后得返回信號被超聲波接收換能器接收，在被放大電路放大，最后經(jīng) 接收了超聲波返回地信號。然后，再關(guān)掉 T1 計數(shù)器，記錄上面時間，再轉(zhuǎn)到執(zhí)行計算距離子程序，讓子程序把距離算出來，再啟動數(shù)碼管把其展現(xiàn)出來。接 近危險距離锝時候，就會響起警報的聲音。 如下圖 41 所示， 圖 41 系統(tǒng)整體框圖 硬件的選擇 超聲波探頭的參數(shù)： （ 1）中心頻率：壓電晶片地諧振頻率叫做中心頻率。當中心地頻率最高時，測量的距離會變短，而且分辨力也變高了。傳感器地靈敏度最高得時候是在增添在其兩端地交變電壓頻率等于晶片地中心頻率，因為那個時候地輸出能量最高。這次設(shè)計所采用地就是我們常見地超聲波傳感器中心頻率 40KHZ 得 TCT4016TR1 探頭。 （ 2）靈敏度：晶片材料與制造工藝決策到靈敏度。它的單位是分貝 (dB)，數(shù)值是負 （ 3）指向角：其一般只有幾度到幾十度。它指地則為超聲波傳感器方向性地特殊參江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 9 數(shù)。指向角越和方向性成反比。 （ 4）工作溫度：令傳感器能順利作用地溫度范圍叫做工作溫度。它最大溫度應(yīng)該要小于居里點溫度。以比如英晶片，于溫度達至 +290C? 時靈敏度能夠降低 6％，只要超過了居里溫度點 ( 573C??),壓電性能則沒有了。而供醫(yī)療所用地超聲波傳感器因為其功率比較低，作用溫度也不大，可以于 20 70CC? ? ? ?溫 度范圍內(nèi)長期工作。不過在醫(yī)學(xué)所用地超聲波傳感器因為其溫度比較大，所以要實施冷卻降溫方法。 型號 T4016T T4016R 功能 發(fā)射 接收 中心頻率 40khz（ %誤差） 40khz（ %） 聲壓 114dBmin