1理論分析

在超聲波測(cè)距系統(tǒng)中發(fā)射探頭發(fā)射的能量由所加激勵(lì)信號(hào)的能量和探頭本身的物理屬性決定，考慮探頭在半無(wú)限大空間中的發(fā)射聲場(chǎng)時(shí)，由于波源各點(diǎn)至軸線(xiàn)上某點(diǎn)的距離不同，存在聲程差，互相疊加時(shí)存在相位差而導(dǎo)致相互干涉，使得一些地方聲壓相互加強(qiáng)，一些地方相互減弱，因此在聲束軸線(xiàn)上出現(xiàn)極大值和極小值，如式（1）所示。這一系列存在極大和極小值的區(qū)域即為近場(chǎng)區(qū)［5］。

式中，P為軸線(xiàn)上距離聲源a處聲壓，P0為波型轉(zhuǎn)換次數(shù)，RS為圓盤(pán)源半徑，ω為角頻率，t為點(diǎn)源輻射至距離a處的時(shí)間，k=2π/λ。聲壓P隨t做周期變化，在超聲波測(cè)距過(guò)程中只考慮振幅P1：

聲場(chǎng)的指向性，即聲束集中向一個(gè)方向輻射的性質(zhì)，聲束在該點(diǎn)的集中程度反映了該點(diǎn)聲場(chǎng)強(qiáng)度的大小，即可大致地表示該點(diǎn)的聲場(chǎng)強(qiáng)度，指向系數(shù)Dc按式（4）定義，在晶片尺寸一定時(shí)，可以通過(guò)式（5）計(jì)算該探頭的擴(kuò)散角度，從而計(jì)算出不同角度點(diǎn)處的聲場(chǎng)強(qiáng)度。

當(dāng)已知被測(cè)物與超聲波換能器連接線(xiàn)的中軸線(xiàn)之間夾角θ的大小時(shí)，接收換能器能夠接收到的比例系數(shù)，角度越小，接收的能量越大［6］。

通過(guò)對(duì)以上公式的分析可以得出，在相對(duì)探頭不同的距離其他實(shí)驗(yàn)條件相同的條件下，聲波在空氣中的傳播速度一定，對(duì)應(yīng)相同的被測(cè)物體時(shí)，超聲波探頭接收回波的聲強(qiáng)將與被測(cè)物的相對(duì)距離成反比。當(dāng)被測(cè)物在測(cè)試系統(tǒng)的盲區(qū)范圍內(nèi)時(shí)，通過(guò)采集回波信號(hào)波峰出現(xiàn)的時(shí)刻與無(wú)被測(cè)物在前時(shí)的情況進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)實(shí)時(shí)地跟蹤回波信號(hào)的幅度來(lái)判斷出被測(cè)物所出現(xiàn)的時(shí)刻，進(jìn)而計(jì)算出被測(cè)物所處的位置。

為了能夠更精確地測(cè)量出從被測(cè)物反射的回波信號(hào)達(dá)到的時(shí)刻，希望所監(jiān)測(cè)回波信號(hào)幅值變化越大越好，以提高信號(hào)的區(qū)分度。因?yàn)榘l(fā)射探頭和接收探頭距離越近幅值越大，此時(shí)干擾信號(hào)產(chǎn)生的幅值信號(hào)起主要作用，而從被測(cè)物反射的回波信號(hào)產(chǎn)生的幅值信號(hào)疊加之后會(huì)很弱，影響區(qū)分度，不宜監(jiān)測(cè)；當(dāng)發(fā)射探頭和接收探頭放置過(guò)遠(yuǎn)時(shí)，雖然干擾信號(hào)引起的幅值變化會(huì)很小，從被測(cè)物反射的回波信號(hào)產(chǎn)生的幅值信號(hào)起主要作用，辨識(shí)度提高，但是根據(jù)圖1，探頭相對(duì)距離越遠(yuǎn)誤差越大，所以在其中尋找一個(gè)合適的探頭相對(duì)距離將有利于提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。

因在不同的環(huán)境溫度下聲波的傳播速度是不一樣的，它們之間的關(guān)系如式（6）所示，為了減少環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量精度的影響，系統(tǒng)中需加入溫度矯正模塊，通過(guò)實(shí)時(shí)地測(cè)量當(dāng)前環(huán)境下的溫度，更新計(jì)算中聲音的傳播速度，提高測(cè)量精度。

c=331.4×1+T/273（6）