图2-1 人耳的听觉范围

2．2  超声波的应用特点

（1）超声波具有较好的指向性，且指向性随频率的升高而增强。因此，超声波在水下声通讯和探伤等领域得到广泛的应用。

（2）超声波的频率范围超出了人耳所能识别的频率范围，因此超声波无法被人们感知，在一些高强度的工作场合应用十分广泛。

（3）对于超声波而言，当频率升高时，波长会变短。当超声波波长可以与传播超声波的材料尺寸相比拟时，测量精确度便得以提升。因此，在微测量领域中超声波的应用也十分广泛。

（4）此外，超声波还具有束射特性，吸收特性，能量传送特性和声压特性等。

2．3  超声波测距的原理

    超声波测距的基本原理还是遵从光波的反射折射定律。简而言之，当超声波发射装置发射出的超声波在遇到障碍物时即发生反射，只要在接收端成功的接收到反射的超声波信号，就相当于完成了测距的功能，因为在声速已知的情况下，只要记录超声波从发射端发出和接收端收到信号两个时间点，通过简单的理论计算即可得出所要测量的距离，对发射接收功能加以改进便可提高测距精度。这就是超声波测距的基本原理。

假设物体位于超声波测距装置的某一方向，在发射超声波的同事开始计时，超声波在遇到物体后立刻返回，在接收端接收到反射信号的同时停止计时，便可记录到一个时间t，超声波在空气中传播速度为340m/s，，由此可以计算出测距装置到物体之间的距离s=340t/2。回声探测法就是根据这一原理设计的。由于声速对于不同的温度条件下有所差异，因此在超声波测距装置中添加温度补偿装置便可进行修正，c=331.3+0.606T（m/s），T取摄氏温标。鉴于在一般情况下，超声波传播介质温度变化不大，并且温度对于声速的影响在许多情况下可以忽略不计，则可近似认为超声波在介质中的传播速度是一个定值。若是在测距精度要求较高的情况下，则可对温度补偿进行修正[3]，温度与声速的对应关系如表2-1所示：

温度（℃） -30 -20 -10 0 10 20 30 40

声速（m/s） 313 319 325 332 338 344 350 356

表2-1 温度与声速的关系在实验板上，已有的超声波模块发射和接收模块相距一定距离，在要求精确度的情况下，必须要对测距公式进行修正，下面建立模型，如图2-2所示：

图2-2 超声波测距原理模型

发射模块与物体间的夹角为α，接收模块与物体间的夹角为β，测距结果设为H（H为未知量），接收发射模块之间的距离为2S，发射模块到物体间的距离为L，v是当前温度下的声速，t为发射接收到超声波信号所经历的时间。

超声波传播经过的距离为   (2.3)

由(2.1)，(2.2)，(2.3)式，可以得到：

在实际应用中，测距的距离范围往往比接收发射模块之间的间隔大好多，因此可以近似将超声波走过距离的一半看成是测距的目标，并且温度的影响可以忽略不计，（2.4）式中的后一个因式的结果为1。因此，最后的公式可简化为 PIC16F877a单片机超声波测距系统的软件设计(3):http://www.youerw.com/tongxin/lunwen_70339.html