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3. 超声波测距基本原理
超声波是指频率高于20KHz的机械波。它具有方向性好，穿透能力强的特点。当使用超声波测距时，首先需要产生和接收超声波。完成这种功能的就是超声波传感器，包括发送器和接收器。本设计中采用的40KHz超声波发射探头T40和接收探头R40的实物如图1所示。
图1 T40、R40实物图
超声波传感器[2]是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化。发射原理是将铁磁材料置于交变磁场中，产生机械振动，发射出超声波。接收时，超声波回波作用在磁制材料上，引起磁制材料磁场变化，使线圈产生感应电势输出。为什么选择40KHz的超声波传感器呢？因为超声波在空气中传播时衰减很大，衰减的程度与频率成正比，但是频率越高则分辨力也会越高，所以短距离测距时一般选用频率高的超声波传感器（100KHz以上），长距离测距时只能选择频率低的传感器。
超声波测距时，超声波发射器利用压电晶体的谐振来引起周围空气的振动，从而向某个方向发射超声波，当超声波到达测量目标或者障碍物之后立刻被反射回来，然后再根据超声波从发射到接收到收声波所用的时间就可以计算出相对距离[3]。
表1 超声波传播速度与温度关系表
温度℃ 速度m/s 温度℃ 速度m/s 温度℃ 速度m/s
-30 313 15 340.6 33 351.4
-20 319 16 341.2 34 352
-10 325 17 341.8 35 352.6
0 331.4 18 342.4 36 353.2
1 332.1 19 343 37 353.8
2 332.6 20 343.6 38 354.4
3 332.8 21 344.2 39 355
4 334 22 344.8 40 355.6
5 334.6 23 345.4 41 356.2
6 335.2 24 346 42 356.8
7 335.8 25 346.6 43 357.4
8 336.4 26 347.2 44 358
9 337 27 347.8 45 358.6
10 337.6 28 348.4 46 359.2
11 338.2 29 349 47 359.8
12 338.8 30 349.6 48 360.4
13 339.4 31 350.2 49 361
14 340 32 350.8 50 361.6
假设被测物体到车辆之间的位移为S，从发射到接收的时间为t，超声波的传播速度用c表示。则有关系式：
（1）