人耳一般能夠聽(tīng)到的聲音頻率范圍是20Hz ~20KHz，超聲波是一種頻率高于人類聽(tīng)覺(jué)范圍的機(jī)械波，其頻率超過(guò)20KHz。與可聽(tīng)聲波類似，超聲波在各種介質(zhì)中（非真空環(huán)境）通過(guò)機(jī)械振動(dòng)傳播。空氣中超聲波的傳播速度約是343m/s（20°C 時(shí)），在水中的傳播速度約為1500m/s。

超聲波因均有頻率高、波長(zhǎng)短、穿透性強(qiáng)的特性，被用于需要高精度、非破壞性的探測(cè)和成像等場(chǎng)合，應(yīng)用的領(lǐng)域包括。

• 測(cè)距和定位： 如超聲波傳感器，用于測(cè)量距離和檢測(cè)障礙物。

• 醫(yī)療成像： 超聲波用于醫(yī)學(xué)超聲成像，如超聲波檢查、胎兒監(jiān)測(cè)等醫(yī)學(xué)成像應(yīng)用，通過(guò)利用不同組織反射回的超聲波來(lái)生成圖像。

• 無(wú)損檢測(cè)： 超聲波可用于檢測(cè)金屬、混凝土等材料的內(nèi)部缺陷或裂縫。

• 動(dòng)物導(dǎo)航 ： 蝙蝠和海豚等動(dòng)物， 通過(guò)發(fā)送和 接收 超聲波來(lái)導(dǎo)航和獵食。

2、機(jī)器人上應(yīng)用的超聲波傳感器是什么？

機(jī)器人上應(yīng)用的超聲波傳感器是一種使用超聲波來(lái)測(cè)量距離或檢測(cè)物體的設(shè)備。它通過(guò)發(fā)射超聲波脈沖，然后接收由目標(biāo)物體反射回來(lái)的回波信號(hào)來(lái)工作。根據(jù)聲波從發(fā)射到接收到反射波所需的時(shí)間，超聲波傳感器能夠計(jì)算出物體與傳感器之間的距離。

（1）超聲波傳感器的主要組成部分包括

• 發(fā)射器： 產(chǎn)生超聲波，通常是一個(gè)壓電晶體或電磁換能器，它能將電能轉(zhuǎn)換成聲能。

• 接收器： 檢測(cè)從物體反射回來(lái)的超聲波， 它將聲能轉(zhuǎn)換回電能。

• 測(cè)量計(jì)算裝置： 利用 傳感器系統(tǒng)記錄超聲波發(fā)射出去到接收回來(lái)的時(shí)間差，并通過(guò)時(shí)間差來(lái)推算距離。

（2）超聲波傳感器的工作流程

• 發(fā)射超聲波：傳感器中的發(fā)射器發(fā)出一定頻率的超聲波（通常是40kHz左右）。

• 波在空氣中傳播：超聲波在空氣中以音速傳播（約343m/s，20°C時(shí)）。

距離的計(jì)算公式

以在空氣介質(zhì)中傳播為例，v是343m/s，t是發(fā)射到接收的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間包含了往返時(shí)間，除以2才能得到單程距離。

3、超聲波傳感器的用途和優(yōu)缺點(diǎn)是什么？

超聲波傳感器在距離測(cè)量、流體位測(cè)量、物體檢測(cè)、汽車倒車輔助系統(tǒng)、機(jī)器人導(dǎo)航等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。超聲波傳感器這種非接觸式測(cè)距的方案性價(jià)比高，主要的優(yōu)點(diǎn)包括

• 不受顏色和透明度影響：不像紅外/視覺(jué)傳感器，超聲波不受目標(biāo)顏色、亮度、透明度影響。玻璃、黑色表面也能有效反射超聲波。

• 抗環(huán)境光干擾能力強(qiáng)：對(duì)光照不敏感，室內(nèi)室外強(qiáng)光或黑暗環(huán)境均可穩(wěn)定工作。

• 安全、無(wú)輻射：超聲波對(duì)人體無(wú)害，沒(méi)有電磁干擾問(wèn)題。

• 安裝靈活：模塊小巧，可方便地布置在機(jī)器人各個(gè)方向。

超聲波傳感器的缺點(diǎn)是 對(duì)軟質(zhì)材料（如織物）或不規(guī)則表面的檢測(cè)效果不佳，精度有限， 有效測(cè)量范圍有限。

4、超聲波硬件選型時(shí)需要關(guān)注的范疇？

（1）如何選擇合適的超聲波傳感器

• 測(cè)量距離： 不同的超聲波傳感器具有不同的測(cè)量距離范圍，從幾厘米到幾十米甚至更遠(yuǎn)。如果是短距離測(cè)量，例如機(jī)器人在狹窄空間內(nèi)的避障，選擇測(cè)量范圍較小的傳感器即可；如果是用于長(zhǎng)距離檢測(cè)，如大型設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控，就需要選擇測(cè)量范圍較大的型號(hào)。

• 測(cè)量精度： 如果是對(duì)精度要求不高的場(chǎng)景，如簡(jiǎn)單的障礙物檢測(cè)，精度稍低的傳感器可能就可以滿足需求； 但如果是用于精密加工或高精度定位的機(jī)器人，就需要選擇精度高的超聲波傳感器。

• 工作環(huán)境： 滿足工作環(huán)境的問(wèn)題、濕度要求。 如果工作環(huán)境中存在其他超聲波設(shè)備、氣動(dòng)閥、噴氣嘴等可能產(chǎn)生超聲波噪聲的設(shè)備，需要選擇抗干擾能力強(qiáng)或能夠避免干擾的傳感器，或者采取相應(yīng)的屏蔽措施。

• 尺寸和安裝方式： 對(duì)于 空間有限的機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景，需要選擇小巧緊湊的傳感器； 有些場(chǎng)景可能需要特殊的安裝方式，如嵌入式安裝、法蘭安裝等，要確保傳感器能夠方便地安裝和固定。

（2）超聲波選型時(shí)需要關(guān)注的硬件參數(shù) 超聲波傳感器在選型和應(yīng)用時(shí)，需要關(guān)注一系列關(guān)鍵硬件參數(shù)，這些參數(shù)直接影響其測(cè)量精度、使用場(chǎng)景、可靠性和兼容性。

• 測(cè)距范圍（Min/Max Range）：最小和最大可測(cè)距離（如2cm～400cm）

• 測(cè)距盲區(qū)（Blind Zone）：傳感器無(wú)法測(cè)距的最小距離區(qū)間（通常為2cm左右）。

• 測(cè)距精度（Accuracy）：實(shí)際測(cè)距與真實(shí)距離的最大誤差（如±2%）

• 分辨率（Resolution）：能夠分辨的最小距離變化（如0.1cm）

• 發(fā)射角度/波束角（Beam Angle）：超聲波錐形發(fā)射的角度范圍，常見(jiàn)為15°～30°

• 頻率（工作頻率）：發(fā)射器的超聲波頻率，常見(jiàn)為 40kHz

說(shuō)明：參考以下超聲波的芯片手冊(cè)

5、超聲波選型為什么要關(guān)注“探測(cè)角度”這個(gè)參數(shù)？

“探測(cè)角度”也叫“波束角”，在工程應(yīng)用中這是超聲波傳感器選型的一個(gè)很關(guān)鍵參數(shù)。

（1） 探測(cè)角度的原理：由超聲波的發(fā)射特性決定

超聲波傳感器內(nèi)部的換能器（Transducer）在發(fā)射聲波時(shí)，不會(huì)像激光那樣形成一條直線束，而是以一定角度向前錐形擴(kuò)散，這就是所謂的探測(cè)角度或波束角，它的形成和頻率、換能器直徑、探頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都相關(guān)。

超聲波傳感器發(fā)出的聲波信號(hào)會(huì)向左右各擴(kuò)展一個(gè)角度，形成一個(gè)錐形區(qū)域，在這個(gè)角度范圍內(nèi)遇到物體，就有可能反射回波并被接收。

（2）探測(cè)角度對(duì)應(yīng)用的影響：探測(cè)角度大，可以增大探測(cè)范圍，但容易受旁邊物體干擾，定位不精確，并且多個(gè)模塊工作時(shí)可能“聽(tīng)到”彼此的回聲，造成串?dāng)_。工程應(yīng)用選型時(shí)

• 通用超聲波傳感器：波束角約15°～30°，用于前方寬區(qū)域檢測(cè)。

• 工業(yè)窄波束傳感器：波束角 10°以內(nèi)，適合高精度避障或液位測(cè)量。

你可以想象站在一個(gè)黑暗的房間里打手電筒

• 聚光燈=小波束角，照得遠(yuǎn)但視野窄（高精度、定向探測(cè)）

• 泛光燈=大波束角，視野廣但照得近（范圍廣、適合泛探測(cè)）

綜上，“探測(cè)角度”這個(gè)參數(shù)的原因是超聲波天然具有擴(kuò)散性，無(wú)法像激光一樣嚴(yán)格定向，波束角越小，測(cè)距更穩(wěn)定；越大則適合大范圍檢測(cè)，但要關(guān)注機(jī)器人超聲波周圍的結(jié)構(gòu)件對(duì)超聲波的影響。