频率高于20 000 Hz的声波称为超声波，频率低于20 Hz的声波称为次声波。（一）超声波及其应用超声波在自然界中是存在的。有些动物的器官，如蝙蝠、蟋蟀、纺织娘等都能发出超声波。（二）次声波及其应用近年来，次声波的应用也有很大的发展。建立次声波接收站，可以监听几千里外的核武器试验、导弹的发射。最近，也有科学家利用次声波对人体产生作用的特点，探索研制一种能导致神经麻痹的“武器”——“次声炸弹”。......
2023-08-11
超声波是一种振动频率高于声波的机械波
【摘要】：超声波测距传感器是利用超声波的特性研制而成的。完成这种功能的装置就是超声波测距传感器，习惯上称为超声换能器或超声探头。小功率超声探头多做探测作用。目前较为常用的是压电式超声波发生器。
超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够定向传播等特点。超声波测距传感器是利用超声波的特性研制而成的。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。以超声波作为检测手段，必须拥有产生超声波和接收超声波的器件。完成这种功能的装置就是超声波测距传感器，习惯上称为超声换能器或超声探头。
超声探头主要由压电晶片组成，既可以发射超声波，也可以接收超声波。小功率超声探头多做探测作用。它有许多不同的结构，可分直探头（纵波），斜探头（横波），表面波探头（表面波），兰姆波探头（兰姆波），双探头（一个探头反射、一个探头接收）等。
超声探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小，如直径和厚度也各不相同，因此每个探头的性能是不同的，使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标包括工作频率、工作温度和灵敏度。
（1）工作频率。工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时，输出的能量最大，灵敏度也最高。
（2）工作温度。由于压电材料的居里点比较高，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，所以需要单独的制冷设备。
（3）灵敏度。灵敏度主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大，灵敏度高；反之，灵敏度低。
超声波测距传感器可以广泛应用在物位（液位）监测、机器人防撞、各种超声波接近开关以及防盗报警等相关领域，工作可靠、安装方便、防水型、发射夹角较小、灵敏度高，方便与工业显示仪表连接，也提供发射夹角较大的探头。
1.超声波发生器
为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器。
2.压电式超声波发生器的原理
压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图5-1所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片做振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。
图5-1 超声波发生器内部结构
3.超声波测距原理
超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340 m／s，根据计时器记录时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离s，即s＝340t／2，这就是所谓的时间差测距法。
超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。
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