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1、- 1 -超声波测距有关特性研究超声波测距有关特性研究作者：李林作者：李林 指导老师：俞熹指导老师：俞熹摘要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：关键词：超声波；压电效应；共振；单片机；集成电路。Keywords：
2、Ultrasonic Wave; Piezoelectric Effect; Resonance; Singlechip; Integrated Circuit.- 2 -目录目录引言引言 - 3 3第一章第一章 超声波的基本概况超声波的基本概况 - 4 41 11 1 什么是超声波什么是超声波 - 4 41 12 2 超声波的特点超声波的特点 - 4 41 13 3 超声波的产生超声波的产生 - 4 41 14 4 超声波技术的发展超声波技术的发展 - 5 5第二章第二章 超声波特性实验超声波特性实验 - 5 52 21 1 超声波实验仪器超声波实验仪器 - 5 52 22 2 超声波在空气
3、中的短距离传播超声波在空气中的短距离传播 - 623 超声波对各种物质的穿透性超声波对各种物质的穿透性 - 724 超声波的发射超声波的发射- 1125 各种外界因素的干扰程度各种外界因素的干扰程度- 12第三章第三章 超声波测距仪超声波测距仪 - 14143 31 1 超声波测距原理超声波测距原理 - 14143 32 2 仪器硬件及电路图仪器硬件及电路图 - 15153 33 3 测距仪电路板测距仪电路板 - 1717结论结论 - 1919注释注释 - 2020参考文献参考文献 - 2121- 3 -谢辞谢辞 - 2121 引言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
4、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
5、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
6、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 - 正文正文第一
7、章第一章 超声波的基本概况超声波的基本概况1.1 什么是超声波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 2020，000 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，我们就把频率高于 20000 赫兹的声波称为“超声波”。1.2超声波的特点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
8、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，而且误差较小。13 超声波的产生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
9、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- 5 -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
10、压电陶瓷可以在声压的作用下把声波信号转化为电信号。 压电陶瓷换能器在声电转化过程中信号频率保持不变。14 超声波技术的发展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
11、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。 第二章第二章 超声波特性实验超声波特性实验21 超声波实验仪器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
