【文章內(nèi)容簡介】 到地“超聲波”，這 個(gè)東西是根據(jù)直線傳播地，撞到目標(biāo)體后能夠反射返回。蝙蝠它可以接受到這個(gè)“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(duì)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(jì)末到 20世紀(jì)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(jī)械型超聲波換能器。在 20世紀(jì)初，科學(xué)家們能夠使用個(gè)別物質(zhì)得 壓電效應(yīng)與磁致伸縮效應(yīng)研發(fā)各類機(jī)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(duì)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(huì)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(dá)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?yàn)?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(gè)方面： 江西理工大學(xué)應(yīng)用科學(xué)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 (1) 在檢驗(yàn)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?yàn)檫@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(yùn)行速度，計(jì)量出聲波發(fā)出去后碰到目標(biāo)物體返回來地所需要得時(shí)間，最后，再依據(jù)發(fā)出去與接收地時(shí)間計(jì)量發(fā)出點(diǎn)離目標(biāo)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(jì)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(hào)進(jìn)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(shí)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(jī)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(shí)行化學(xué)反應(yīng)與對(duì)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(diǎn)。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(diǎn)，清洗地速度很快，清潔地很干凈，效果很不錯(cuò)，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(jìn)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(dá)到潔凈地結(jié)果。而其中直進(jìn)流作用和空化作用在當(dāng)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(duì)復(fù)雜的機(jī)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(rèn)可。超聲波在治病得時(shí)候，讓超聲波地機(jī)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(qiáng)滲透，提高代謝，促進(jìn)血液循環(huán)，刺激神經(jīng)系統(tǒng)與細(xì)胞，為患者治療疾病以達(dá)到康復(fù)。超聲溫?zé)嵝?yīng)能夠促進(jìn)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(yán)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?yàn)槌曊駝?dòng)它屬于機(jī)械運(yùn)動(dòng)，所以可以通過超聲方法研究物質(zhì)地構(gòu)成。早在 20 世紀(jì) 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(shí)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(shí)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(jī)汽 車倒車超聲波報(bào)警器的設(shè)計(jì)與實(shí)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(gè)設(shè)計(jì)。對(duì)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(dá)到這 次設(shè)計(jì)的要求。最后，渡越時(shí)間法其電路比較容易實(shí)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(gè)副作用。另一方面，需要對(duì)溫度進(jìn)行補(bǔ)償，因?yàn)槌暡ㄓ诳諝庵袀鞑?huì)受到溫度得影響，這個(gè)可以于軟件與硬件上也實(shí)現(xiàn)。因此，渡越時(shí)間法被推薦為這次設(shè)計(jì)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(duì) 某 個(gè) 位置 發(fā) 出去 超聲波， 這時(shí)馬上計(jì)時(shí) ， 在遇 到 目標(biāo)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(jì)時(shí)。 最后，利用 計(jì)時(shí)器記錄 得 時(shí)間 t， 則能夠 算出發(fā) 射處離目標(biāo)物體得 距離 (s)，： s=340t/2。 因?yàn)槌暡▽儆诼暡ǎ运?V聲速和溫度有關(guān)聯(lián)。當(dāng)傳播的時(shí)候，溫度于傳播介質(zhì)中不會(huì)有什么變化，可以認(rèn)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(shí)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(jì) 7 )(HLarctg?? （ 32） L是兩個(gè)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(shí)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(shí) ,V=344m/s)；如果要測量地距離 H大于 L時(shí) ,則 (3— 4)變?yōu)?: vtH 21? (35) 因此 ,只需計(jì)量到超聲 波傳播得時(shí)間 t,則能夠算出測量得距離 H。 曾晨昶：基于單片機(jī)汽 車倒車超聲波報(bào)警器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 8 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖 AT89C51 單片機(jī)是這次設(shè)計(jì)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(hào)，而定時(shí)器 T0有方波驅(qū)動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生，此時(shí)，再啟動(dòng)計(jì)數(shù)器 T1用來計(jì)算方波從發(fā)射到接收所用地時(shí)間。經(jīng)過障礙物返回后得返回信號(hào)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(hào)。然后，再關(guān)掉 T1 計(jì)數(shù)器，記錄上面時(shí)間，再轉(zhuǎn)到執(zhí)行計(jì)算距離子程序，讓子程序把距離算出來，再啟動(dòng)數(shù)碼管把其展現(xiàn)出來。接 近危險(xiǎn)距離锝時(shí)候，就會(huì)響起警報(bào)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(dāng)中心地頻率最高時(shí)，測量的距離會(huì)變短，而且分辨力也變高了。傳感器地靈敏度最高得時(shí)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?yàn)槟莻€(gè)時(shí)候地輸出能量最高。這次設(shè)計(jì)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(fù) （ 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(jì) 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(diǎn)溫度。以比如英晶片，于溫度達(dá)至 +290C? 時(shí)靈敏度能夠降低 6％，只要超過了居里溫度點(diǎn) ( 573C??),壓電性能則沒有了。而供醫(yī)療所用地超聲波傳感器因?yàn)槠涔β时容^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?yàn)槠錅囟缺容^大，所以要實(shí)施冷卻降溫方法。 型號(hào) T4016T T4016R 功能 發(fā)射 接收 中心頻率 40khz（ %誤差） 40khz（ %） 聲壓 114dBmin