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    现今超声测距已经成为一种结合了声波特性、单片机智能控制以及电气开关来实现的非接触式测距方法,在处于相对比较恶劣的环境时,其也具有较好的适应能力,尤其是空气中声波速度较慢且变化小,拥有高分辨力,较容易检测出回波反射信号中沿传播方向上的结构信息,因此它对比在空气中的其它测距方法准确度也较高。运用超声波进行距离检测具有设计结构简单、成本低廉、反应快、计算简易且容易做到实时控制等优点,在测距精度方面完全能够达到工业要求。例如测距仪或物位测量仪等都能够基于超声波原理来实现,目前超声测距已经广泛应用于工业控制、定位测量、汽车电子以及液面等高度检测等众多方面。
    2.1.3  温度与超声波的传播速度
    超声波在介质中的传播速度与介质温度的变化密切相关。在倒车雷达的设计应用中,超声波的传播介质主要是空气,空气对超声波衰减产生的影响较小,完全可以忽视,但是由于在我国空气温度早晚和季节变化较大,所以由此造成超声波速度变化较大的影响不容忽视。
    对于理想气体条件下的小振幅声波来说,超声波速度可以表示为:
    式(2.1)中,u 为超声波在空气中的传播速度;γ 为气体热容比;p为海平面大气压强;ρ 为介质密度。又由理想气体状态方程:ρRT =Mp,可以推导出超声波在理想气体中的传播速度为:
                                           (2.2)
    式(2.2)中,R 为气体普适常量;T 为绝对温度;M 为摩尔质量。在温度为0℃的空气中,超声波速度 u0=331.45m/s。对于任意温度下,有以下关系式:
                       (2.3)
    若采用摄氏温标t ℃,则T=273+t,则上式可变为:
                         (2.4)
    以下给出在不同空气温度下超声波的对应速率,如表2.1
    表 2.1  超声波速度与温度关系表
    温度( )
    -40    -30    -20    -10    0    10    20    30    40    50
    声速( )
    307    313    319    325    332    338    344    349    355    361
    由上表可以看出,超声波在不同温度时的传播速度相差较大,因此为了提高系统的测距精度,应通过增加温度补偿的方法加以校正,将测温电路测得的温度送入单片机中,根据式(2.4)进行数据转换或查表得到实时的超声波速度即可
    2.1.4  超声波的衰减特性
    超声波在传播过程中,会有很大的衰减。由于超声波的衰减,使超声波的振幅随传播距离的变化而变化。声学理论证明,吸收衰减和散射衰减都遵从指数衰减规律。
    式(2.5)中,A(x)为振幅;A0 是振动初始条件决定的常数;α 为衰减系数, α 与声波频率及传播介质的关系为:
    设在距离超声接收器 x处有被测物,则空气中传播的超声波波动方程为:
    式中,a 为空气介质常数;f 是声波的振动频率;ω,t 分别表示角频率和传播时间;x 为传播距离;k 为角波数;λ 为波长。在空气中 当超声波的振动频率为 40KHz 时,可得 ,则有 1/α=31m。其物理意义是:超声波在空气介质中传播,能量被吸收损耗,当声波的传播距离等于 1/α 时,声波振幅将衰减为原来的 l/e。显然,声波频率愈高,声能被吸收衰减也愈大,声波的传播距离就愈小;反之,声波频率愈低,声能的吸收衰减也愈小,声波的传播距离就愈大。
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