2。1  超声波的基本理论

正常情况下，我们人耳能够听到频率在20Hz-20000Hz的声波，超声波因其频率高于20000赫兹而得名。超声波因其不同的特性，经常被用来实现不同的功能。它穿透能力强，医学上经常被用来做B超、彩超等服务于大众；它的方向性好，经常利用此特性来实现测距、测速等功能；它易于获得集中的声能，医学经常被用来碎石、杀菌、消毒等。超声波在介质中传播时，会因为介质的不同而以不同形态传播，而且传播速度也会因为介质的不同而不同。文献综述

2。1。1  超声波的传播

超声波在介质中传播时主要有三种形态：横波、纵波、表面波。只可以在固体中传播，而且质点震动方向和传播方向垂直的波即是横波；可以在固体、液体中传播，而且质点震动方向和传播方向在一条直线上的波即是纵波；只可以沿物体表面传播，而且质点运动状态具有横波、纵波综合特性的波即是表面波。超声波在空气中传播时主要以纵波的传播方式传播。

超声波在介质中传播的速度主要与介质弹性性能以及密度有关，介质弹性性能越强，密度越小，则超声波在此介质中的传播速度越高。在同一种介质中，纵波声速约为横波的2倍，横波声速约为表面波的0。9倍。在日常生活中，超声波在空气中的传播速度和温度有一定的关系，但是在温度变化不大的环境下传播速度可以看成一个固定值，其值大约为340m/s。

2。1。2  超声波传感器 

超声波传感器亦称超声波换能器或超声波探头[3]。它主要是由压电晶片构成的，既可以发射超声波，也可以接收超声波。压电晶片可采用石英晶片或压电陶瓷（如钛酸钡）片。压电陶瓷片的灵敏度高，但热稳定性不及石英晶片。压电效应具有可逆性，给压电晶片施加周期性变化的电压就会发生形变，产生振动，发出超声波。反之，当压电晶片受力后会产生电荷，形成电压，因此它也可以接收超声波。本次设计所采用的超声波传感器是T/R-40系列，它是利用压电效应工作的传感器，通常又被称为换能器，其外形及其典型结构如下图所示：来`自+优-尔^论:文,网www.youerw.com +QQ752018766-

2。2  超声波测距工作原理

目前，超声波测距的方法主要有相位检测法、声波幅值检测法、渡越时间检测法三种[4]。相位检测法测量精度高，但是由于测量范围太少应用受到限制；声波幅值检测法因为容易受到返回波的影响在应用上受到限制；渡越时间检测法因为其简单直观的工作原理应用广泛。因此，本设计选择使用渡越时间检测法。

超声波测距的基本原理如图2。3所示，由超声波发射探头发射超声波，同时定时器开始计时，记此时为时间t1。超声波发射之后在遇到障碍物时会产生一个返回波，返回波被超声波接收电路接收到之后定时器计时停止，记此时为时间t2。超声波在空气中速度为v，根据定时器求出时间差t=t2-t1，就可以得到超声波传播的距离s，即：s=v*t。然后根据超声波发射探头和接收探头之间的固定距离h， 最后可得d=。由于s远大于h，因此可近似认为d = s，本次设计中的距离用表示。