超声波的工作原理

什么是超声波？

声波是一种能在气体、液体、固体中传播的机械波。声波按频率可分为次声波、声波和超声波。

声波频率在 16Hz-20kHz 之间,是能为人耳所闻的机械波；次声波就是频率低于16 Hz 的机械波；而超声波则是频率高于20kHz的机械波 。

什么是超声波传感器？

超声波传感器会发射一组高频声波，当声波遇到物体后，就会被反弹回，并被接收到。通过计算声波从发射到返回的时间，再乘以声波在媒介中的传播速度，就可以获得物体相对于传感器的距离值了。特性是频率高、波长短、绕射现象小。它显著的特性是方向性好，且在液体、固体中衰减很小，穿透本领大，碰到介质分界面会产生明显的反射和折射，因而广泛应用于工业检测中。

超声波传感器的工作原理：

超声波传感器是利用压电陶瓷具有根据电压方向膨胀和收缩的特性，将电信号转换为陶瓷震动，通过陶瓷的反复膨胀和收缩让空气震动，并发出超声波。

实际使用中，超声波传感器将电信号施加到超声波换能器（发射器），通过膨胀和收缩压电陶瓷，发射超声波，然后再有接收器接受超声波转换为用于分析的电信号，并加以各种应用，主要用来测量距离。

超声波的传播速度：

超声波通常有纵波、横波及表面波，他们的传播速度，取决于介质的弹性常数及介质密度。气体和液体中只能传播纵波，气体中声速为344m/s，液体中声速为900-1900m/s。在固体中，纵波、横波和表面波三者的声速成一定关系。通常可认为横波声速为纵波声速的一半，表面波声速约为横波声速的90% 。

超声波在介质中传播时，随着传播距离的增加，能量逐渐衰减。能量的衰减决定于超声波的扩散、散射和吸收。

超声波传感器的主要性能：

（1）工作频率：

工作频率就是压电片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和压电片的共振频率相等时，输出的能量更大，灵敏度也更高。

（2）灵敏度：

指传感器输出增量与输入增量的比值。在实际应用中灵敏度可以表达传感器对输入信号的放大程度。

（3）方向角：

传感器具有从顶部表面开始的圆锥形方向性，将方向性定义为从正面声压到-6dB。与光学传感器相比，方向性更宽，但是具有频率越高则方向性越尖锐的特性。

（4）工作温度：

由于压电材料的居里点一般比较高，特别时诊断用超声波探头使用功率较小，所以工作温度比较低，可以长时间地工作而不产生失效。医疗用的超声探头的温度比较高，需要单独的制冷设备。

超声波传感器的分类：

超声波传感器主要分为开放式和密封式。

开放式的特性具有测量范围大，抗干扰能力强的特点，分为发射型、接收型和收发一体型三类。但是因为开放式的顶部是网状结构，所以不防水，适用于户内。主要应用于定向音响、声悬浮实验、空气净化器、驱虫器、氧浓度模块、屏蔽器、无人机、长距离检测等。

密闭式超声波传感器顶部是密闭的金属壳，底部是环氧胶，所以相较于开放式传感器，密闭式的可以防尘防潮湿，适用于户外，主要应用于汽车测距、智能垃圾桶、风速仪、啤酒起泡机等。但是测距范围要比开放式小一些。