超声波概述

1超声波概述

1.1超声波基本理论

1.1.1超声波的本质

声波属于机械波，是声音的类别之一，人类能察觉到的纵波，频率范围是16Hz-20KHz。次声波的频率小于16Hz，超声波的频率大于20Hz。超声波是一种波动的形式，他能作为负载信息与探测的载体；超声波也是种能量的形式，其强度一旦超过一定程度时，他就能与媒介的相互作用，去影响或者破坏后者的形态，结构及性质。

超声波的折射、反射、散射、衍射在媒介中的传播是规律的，和可听声波的传播规律一样，没有本质上的区别。然而超声波的波长短，厘米，甚至是毫米。和可听声波相比，超声波有很多的特点：①传播特性─超声波波长稍短，障碍物尺寸比超声波的波长长达多倍，所以超声波衍射本事很差，可以沿着直线传播如果在均匀的介质里，波长越短，这特性就越显著。②功率特性─声音如果在空气中直线传播可以让空气中的微粒振动而对微粒做功。声波做功的快慢叫做声波功率。在等同条件下，频率越高，拥有功率就越大。由于频率高，所以超声波与平常声波相比，功率较高的是超声波。③空化作用─因为液体微粒的剧烈振动当超声波在液体中传播的时侯，所以会在液体的内部制造出小空洞。由于小空洞迅速胀大与闭合会使液体的微粒之间产生猛烈撞击作用，就会产生几千个甚至上万个大气压压强。由于微粒这种相互作用是剧烈的，会提高液体的温度，起到了很好的搅拌作用，就会让两种不相溶的液体之间加速溶质的深度溶解，加快化学反应。超声波空化作用就是这种因为超声波作用使液体里所引起各种效应[5]。

1.1.2超声波的应用

因为超声波在化学物理方面的很独特的特性，所以超声波广泛的应用在很多方面。总的来说，主要应用在以下的几个方面：

(1)应用在检验方面

声波短，具有很好的方向性，能够透过不透明的物质是超声波波长的特点。这个特点被应用于超声波测距、探伤、遥控和超声成像技术。

超声波探伤是利用超声波能够由一截面进入另一截面时，可以在界面边缘发生反射的特点来检查零件是不是有缺陷的一种方法，根据超声波束从零件表面由探头通到金属内部，遇到缺陷和零件底面时会分别发生反射波在荧光屏上形成脉冲波形来确认缺陷大小和位置。超声波的测厚是根据超声波的脉冲反射原理进行测量的，由于探头发射超声波脉冲穿透物体抵达分界面的时候脉冲就会反射回探头，可以根据测量超声波在材料中传播的时间来算出被测材料的厚度。

超声波测距是根据在空气中超声波的传播速度为已知的条件，声波在发射后会碰到障碍物然后会反射回来，根据这个反射时间，来测量障碍物与发射点的距离。超声波的测距现在主要用在倒车提醒、工业现场等，目前的测量距离可以达到数百米，但是精度只达到厘米。

(2) 超声处理方面应用

由于超声的机械效用、理化效应、温热效应，所以可以利用超声进行钻孔、焊接、乳化、除尘、脱气、清洗等等还有生物研究，被农业、工矿业、医疗等各个部门认可。

超声波焊接是在两个需要焊接的物体表面传递高频震动波，然后增加压力，使两个两个表面之间的摩擦层的形成分子融合。超声波焊接可分为超声波超声波塑料和金属焊接，超声波塑料焊接速度有优势，焊接强度高，良好的密封。但是超声波焊接融合度高、速度快、导电性良好、没有火花、仿佛冷态加工。

超声波清洗采用的是超声波可以在夜里中空化、加速及直进流作用对净污液体进行直接间接的作用，把污液进行分散、乳化达到清洗的效果。

超声波技术已经被医疗方面得到普遍认可，正在被临床慢慢的重视和采用。超声波治疗能够把能量发射到人体的病变位置，来促进人体病变部位的康复。超声波机械作用可以促使组织软化，增强药物的渗透，提高细胞的代谢，提高血液的循环，改善神经系统和细胞的功能。超声温热效用可以加速血液的循环，增强酶的活力以达到代谢的加速和局部组织营养的改善。

(3) 基础研究方面应用

声学有很多的，其中一个重要的分支是超声学，主要是研究超声的，超声的各种各样的效应，还有超声的的传播规律。机械运动有很多种，其中的一种就是超声振动。二十世纪40年代的时候，有的科学家研究媒介里超声波频率的改变与声速和声衰减的关系的时候，就发现它们与其他分子的弛豫的过程及细微的谐振过程有着很紧密地联系，物质可以吸收超声的，通过这里面的关系我们可以探索物质的特性及结构，这样一方面的研究已经构成分子声学的一声学分支。后来，人们能够产生和接受超声频率进一步的发展，可以接近点阵热振动的频率，人们利用这些来研究原子与原子之间的互相作用和能量传递的问题。

1.1.3超声波的衰减特性

总的来说，超声波的衰减特性主要分为三个方面：

(1) 衰减是由于声速的扩展作用

在声波的传播过程。随传输距离增加，非平面声波速度的不断扩大和增加，因此面积增加的距离减小声压的单位，这称为扩散衰减衰减。

(2)衰减特性是由散射引发的

因为实际的材料是不会绝对均匀的，如第二相沉淀杂质金属材料，晶粒任意取向导致声学材料的特性阻抗的不均匀，导致超声散射。

(3)衰减特性是由于介质的吸收造成的

当超声波在介质中的直线传播，由于粒子引起的介质的粘度之间的内部摩擦，使声音能量的一部分转化为热量。这个时候，由于介质热传导的原因，介质中热交换在稠密与稀疏中进行，从而造成声能量的损耗，所有的这些吸热现象造成的衰减叫吸收衰减。

扩散的衰减特性是由于波的几何形状确定的与传播介质性质没关系。空气中的介质衰减系数是由两个部分构成的，表达公式为：

222223382113V P f f K C C C C πηπβρρ⎛⎫=++ ⎪⎝⎭

式中：K 为热传导的系数，f 为超声波的频率，η 为动力粘滞的系数，C 为超声波传播速度，V C 为定容比热，P C 为定压比热，ρ 为传播介质的密度。

由上可知，温度一定的时候，η 、ρ 、T 都是确定的，衰减系数和频率平方成正比关系；频率越高，衰减系数会越大，传播距离也会越短。

4.1.4系统复位电路设计

在单片机的日常工作中，除了正常的系统初始化，当程序运行出错或操作错误，系统处于死锁状态，为了解决这个问题，还需要重置使它重新启动。由于这个原因，系统复位电路是必须的。

单片机复位全靠外部电路实现，每当时钟电路，一旦在单片文件夹在RST 引脚说明24时钟振荡脉冲以上的高电平，单片机将实现初始化状态重置。为了保证可靠复位，复位电路的设计RST 必须很高。RST 水平不变，单片机就会实现循环复位。

单片机复位电路通常采用以下几种方式：

（1）通电自动复位

R •C 电路充电过程中RST 端会是正脉冲，单片机会复位。