1、 - 1 - 超声波 测距有关特性 研究 作者：李林 指导老师：俞熹 摘要 超声波具有无噪音，方向性好，穿透力强，易于获得集中的声能，在水中的传播距离远等特点。 因其拥有此类特殊性质，超声波在测距领域上的应用在对于改善人们的生活质量方面有着很大的提升空间。 选此课题做为论文，是为了给开发更实用，更方便，更人性化的超声波产品提供实验数据和理论依据。 本文主要研究检验了超声波在传递过程中所遇的各种状况和因素对其产生的具体影响，进而试着对制作更精密的超声波仪器提出初步的建设性意见。 关键词： 超声波；压电效应；共振；单片 机；集成电路。 Keywords： Ultrasonic Wave; Piez
2、oelectric Effect; Resonance; Singlechip; Integrated Circuit. - 2 - 目录 引言 - 3 第一章 超声波的基本概况 - 4 1 1 什么是超声波 - 4 1 2 超声波的特点 - 4 1 3 超声波的产生 - 4 1 4 超声波技术的发展 - 5 第二章 超声波特性实验 - 5 2 1 超声波实验仪器 - 5 2 2 超声波在 空气中的短距离传播 - 6 2 3 超声波对各种物质的穿透性 - 7 2 4 超声波的发射 - 11 2 5 各种外界因素的干扰程度 - 12 第三章 超声波测距仪 - 14 3 1 超声波测距原理 - 1
3、4 3 2 仪器硬件及电路图 - 15 3 3 测距仪电路板 - 17 结论 - 19 注释 - 20 参考文献 - 21 谢辞 - 21 - 3 - 引言 超声 波 已广泛用于实际，超声波的波长比一般声波要短，具有较好的方向性，而且能透过不透明物质，这一特性已被广泛用于超声波探伤、测厚、测距、遥控和超声成像技术。 利用超声的机械作用、空化作用、热效应和化学效应，可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎 、乳化 、脱气、除尘、去锅垢、清洗、灭菌、促进化学反应和进行生物学研究等，在工矿业、农业、医疗等各个部门获得了广泛应用。 声波是属于声音的类别之一，属于机械波，声波是指人耳能感受到的一种纵波，其频率范
4、围为 16Hz-20KHz。当声波的频率低于 16Hz 时就叫做次声波，高于 20KHz 则称为超声波声波。 超声波具有如下特性： 1） 超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。 2） 超声波可传递很强的能量。 3） 超声波会产生反射、干涉、叠加和共振现象。 4） 超声波在液体介质中传播时， 可在界面上产生强烈的冲击和空化现象。 超声波是声波大家族中的一员。 声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。 超声波是指振动频率大于 20KHz 以上
5、的，人在自然环境下无法听到和感受到的声波。 在全球，超声波广泛运用于诊断学、治疗学、工程学、生物学等领域。赛福瑞家用超声治疗机属于超声波治疗学的运用范畴。 （一）工程学方面的应用：水下定位与通讯、地下资源 勘查等 （二）生物学方面的应用：剪切大分子、生物工程及处理种子等 （三）诊断学方面的应用： A 型、 B 型、 M 型、 D 型、双功及彩超等 （四）治疗学方面的应用：理疗、治癌、外科、体外碎石、牙科等 本论文 目的 就是在超声波技术和应用不断发展的大趋势下，对于超声波的发展史 和基础属性及理论 做进一步的探讨而得到更具体而全面的认识以作为创新的基础 ，用多方位的实验现象和所得数据来证实和验
6、证理论上的特性，得出超声波在具体状况中的传播特性，最后以超声波测距仪为例子说明现有的超声波实用仪器的具体情况，最终将其于所得实 验数据和分析结果相结合而对超声波的前景提出有根据而建设性的展望和建议。 - 4 - 正文 第一章 超声波的基本概况 1.1 什么是超声波 超声波这个词是基于人类听觉所能辨认的频率上限而发明出来的。 物体振动时会发出声音。 每秒钟振动的次数 就是 声音的频率，它的单位是赫兹。 1 秒中内震动一次就是 1 赫兹。 我们人类耳朵能听到的声波频率为 20 20， 000赫兹。当声波的振动频率大于 20000 赫兹或小于 20 赫兹时， 人类 便听不见了。因此，我们 就 把频率
7、高于 20000 赫兹的声波称为 “超声波 ”。 1.2 超声波的特点 超声波在传播时 ，方向性强，能量易于集中。 超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离。 超声与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息（诊断或对传声媒质产生效应。（治疗） 超声波是一种波动形式，它可以作为探测与负载信息的载体或媒介（如 B 超 （ 1）等用作诊断）；超声波同时又是一种能量形式，当其强度超过一定值时，它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用，去影响，改变以致破坏后者的状态，性质及结构（用作治疗）。 超声波比起电磁波，因为速度小很多，其测距时的盲区 （ 2） 也很小，很适合用于短距离测距
8、，而且误 差较小。 1 3 超声波的产生 从超声波的概念可以得知，只要是 20000 赫兹以上频率的声波就是超声波。自然界里有些动物可以直接发出超声波，如众所周知的蝙蝠 就是仿生学 （ 3） 关于超声波研究的典型生物 。但是人类的声带没法发出如此高频率的声音， 就算发出了也没法用耳朵来辨认。所以，要是想好好利用超声波如此众多的实用性特点，人类必须制造出“超级声带”和“超级耳朵”。 这就是超声波传感器。 这是人类在物理领域里发现了 压电效应 （ 4） 与反压电效应之后 想出的 利用电子学技术产生超声波的办法 。这种超声波收发器是 用压电陶瓷换能器 来实现声压和电压之间的转换。 它主要由压电陶瓷环
9、片、轻金属铅（做成喇叭形状，增加辐射面积）和重金属（如铁）组成。压电陶瓷片由多晶体结构的压电材料锆钛酸铅制成。在压电陶瓷片的两个底面加上正弦交变电压，它就会按正弦规律发生纵向伸缩，从而发出超声波。同样压电陶瓷可以在声压的作用下把声波信号转化为电信号。压电陶瓷- 5 - 换能器在声 电转化过程中信号频率保持不变。 1 4 超声波技术的发展 自 19 世纪末到 20 世纪初，在物理学上发现了压电效应与反压电效应之后，人们解决了利用电子学技术产生超声波的办法，从此迅速揭开了发展与推 广超声技术的历史篇章。 1922 年，德国出现了首例超声波治疗的发明专利。 1939 年发表了有关超声波治疗取得临床效
10、果的文献报道。 40 年代末期超声治疗在欧美兴起，直到 1949 年召开的第一次国际医学超声波学术会议上，才有了超声治疗方面的论文交流，为超声治疗学的发展奠定了基础。 1956 年第二届国际超声医学学术会议上已有许多论文发表，超声治疗进入了实用成熟阶段。 国内在超声治疗领域起步稍晚，于 20 世纪 50 年代初才只有少数医院开展超声治疗工作，从 1950 年首先在北京开始用 800KHz 频率的超声治疗机治疗多种疾病，至 50 年代开始逐步推广，并有了国产仪器。公开的文献报道始见于 1957年。到了 70 年代有了各型国产超声治疗仪，超声疗法普及到全国各大型医院。 40 多年来，全国各大医院已
11、积累了相当数量的资料和比较丰富的临床经验。特别是 20 世纪 80 年代初出现的超声体外机械波碎石术和超声外科，是结石症治疗史上的重大突破。如今已在国际范围内推广应用。高强度聚焦超声无创外科，已使超声治疗在当代医疗技术中占据重要位置。而在 21 世纪 (HIFU)超声聚焦外科已被誉为是 21 世纪治疗肿瘤的最新技术。 第二章 超 声波 特性 实验 2 1 超声波实验仪器 在实验中使用的主要仪器有：超声波传感器，低频功率信号源，数字式示波器等等。 超声波传感器就是上面提到过的压电陶瓷换能器，可以进行电信号和声波信号间的双向转换。 低频功率信号源是可以提供 10000 到 60000 赫兹不等频率
12、信号的发生器，连上超声波传感器之后把频率调到 20000 赫兹以上就可产生超声波。因为作者使用的传感器 使用的是 内谐振频率为 40000 赫兹 的压电陶瓷片 ，所以整个实验过程中低频功率信号源的发生频率一直调于 40000 赫兹以便得到最强烈的超声波信号。 数字式示波器是 带有数码屏幕的示波器，连接超声波传感器后就可以接收超声波并以很直观的图象表现出超声波信号的强弱。 - 6 - 2 2 超声波在空气中的短距离传播 为了对以下进行的实验有个参照数据，作者首先对超声波在空气中短距离内（ 1米内）传播时其信号强度的衰减程度做了个测试。 实验步骤如下： 1 把两个超声波传感器个别跟低频信号发生器和
13、示波器连接好。 2 把两个传感器的发射接受孔对在一起。 3 打开信号发生器和示波器的电源。 4 记录 0 距离时的信号强度。 5 把两个传感器的距离渐渐拉开，拉开一定距离 后固定下来 做一次信号 记录。 下图为实验过程说明图： 所测出的数据表如下： 距离 0cm 5cm 10cm 15cm 信号 1 次测量 42v 7.6v 4.3v 2.8v 信号 2 次测量 41v 7.8v 5.5v 2.9v 信号 3 次测量 43v 8.4v 4.4v 3.0v 距离 20cm 25cm 30cm 40cm 信号 1 次测量 1.8v 1.5v 1.4v 0.88v 信号 2 次测量 2.0v 1.6
14、v 1.4v 0.94v 信号 3 次测量 2.0v 1.6v 1.3v 0.92v 距离 50cm 60cm 90cm 信号 1 次测量 0.76v 0.66v 0.32v 信号 1 次测量 0.80v 0.64v 0.34v 信号 3 次测量 0.78v 0.68v 0.36v 为了更为直观地观察其变化趋势，对于每个距离的信号强度取了个平均值后，用- 7 - Origin 软件 （ 5） 做 成了变化图如下： 从数据和图形都可以看得出超声波在空气中传播时其衰减可以说是先快后慢，刚刚射离传感器时衰减程度比较大随着传播距离的增大其衰减会越来越缓和。因为作者的实验全部都是在空气中进行的，所以有了
15、对超声波在空气中传播的基本情况的了解，就可以更好的完成以下的各 种其他特性实验了。 2 3 超声波对各种物质的穿透性 为了了解超声波的穿透性，作者对与其穿过 生活中常见的 各种物质各种厚度时的信号衰减程度进行了实验。 主要实验对象有：液态水，木制材料，铁片，布料，塑料等等。 在进行穿透实验前，想到了一个必须弄清楚的问题。那就是 超声波在空气中传播时如果碰到某物体，假设超声波能穿透该物体的话，那么在两个传感器的位置保持相对不变的情况下物体在两者之间的位置会不会对其穿透后的信号强度产生较大影响？ 考虑到这种影响会直接改变实验结果，所以先做了一个对此问题进行探究的实验。 实验步骤如下 ： 1把两个传
16、感器之间的距离调到 30 厘米。 2把一片木版放置在两个传感器之间。 3分别测量木版离接 收 器不同距离时所接收到的信号强度。 下图为实验说明图： - 8 - 所测出的数据整理为表格如下： 距离（接收器） 10cm 15cm 20cm 25cm 1 次测量 125mv 140mv 155mv 140mv 2 次测量 150mv 155mv 120mv 135mv 3 次测量 140mv 130mv 140mv 135mv 对 3 次测量各取平均约得： 10cm： 138 15cm： 141 20cm： 138 25cm： 137 可见无论木版的位置，其结果都在 140 毫伏附近波动，所以至少可
17、以判断超声波在穿透木头时其能量衰减跟木头的位置关系不是很大。根据这个判断 作者继续进行了在原来的实验基础上多加上几片木板时其穿透后信号强度变化的测试，而这时就不用在意每片木板离超声波接收器的距离了，唯一要注意的是把每片木板放平行且垂直于两个传感器的连线。为了跟没有木板时的情况作比较，首先在不放木板的状况下测量了一次，然后把木板一个一个加了进去。 实验中使用的每片木板的平均厚度为： 157 毫米。 下图为实验说明图： - 9 - 此次实验所得 数据如下： 中间物体 空气 1 片木板 2 片木板 3 片木板 1 次测量 560mv 110mv 36mv 22mv 2 次测量 540mv 125mv
18、 40mv 19mv 3 次测量 550mv 115mv 38mv 21mv 接下来，作者就按相同的方式对于一些其他物质进行了超声波穿透实验。值得特别说明的是，因为有些实验不是同一天进行的，而且超声波方向性强的性质使得数据很受两个传感器 所处位置的影响。每次实验虽然两个传感器之间的距离仍然保持在 30 厘米不变但是其发射接收孔互相面对的角度却不可能和上次完全一致 。所以不可避免地出现了初试值（只有空气时的信号）不一样的情况。为了尽量减少对分析的影响，作者每次实验都重新记录了初试值。 实验中使用的每层棉布的平均厚度为 ： 0.5 毫米 关于棉布的测量表格如下： 中间物体 空气 2 层棉布 4 层
19、棉布 8 层棉布 1 次测量 670mv 250mv 120mv 39mv 2 次测量 680mv 255mv 140mv 35mv 3 次测量 690mv 245mv 130mv 34mv 实验中使用的每个铁片的 平均 厚度为： 2.5 毫米 关于铁片的测量表格如下： 中间物体 空气 1 个铁片 2 个铁片 3 个铁片 1 次测量 680mv 110mv 34mv 14mv 2 次测量 680mv 100mv 34mv 13mv 3 次测量 680mv 100mv 33mv 14mv 接下来的实验中，因为水没办法离开容器直接“搁置”在空气中间测量，作者利用方形的塑料瓶充当了其容器，在测量水的
20、情况之前顺便先测量了塑料的数据。而每瓶水的 初始参照数据应该是相应的塑料瓶子在无水情况下的数据，这点不同于以上的情况，特此说明。 实验中使用的塑料瓶每层平均厚度为： 1 毫米 下图为实验说明图： - 10 - 关 于塑料的测量表格如下 中间物体 空气 2 片塑料 4 片塑料 6 片塑料 1 次测量 670mv 280mv 130mv 80mv 2 次测量 680mv 275mv 135mv 70mv 3 次测量 680mv 280mv 140mv 75mv 然后在此基础上，在每一个瓶子里装水，重复 上述的实验就可以得出水的相对数据了。 超声波在水中通过的距离等于每瓶塑料瓶的内径，其平均值为： 10 厘米 下图为实验说明图：
