雷达探头向某一方向发射超声波,在发射时刻的同时开始计时,在空气中传播的超声波在碰到障碍物部分反射回来,探头接收反射回来的超声波,并根据发射和接收的时间差计算障碍物的距离。如果空气中的声速为c(340m/s@空气15℃),发射与接收的时间差为Δt,则障碍物的距离L为:
障碍物距离与声速、时间关系
超声波雷达探头的主要参数有:
外形尺寸、
工作频率、
发射声压级、
波束角度、
接收灵敏度、
余振 、
感度。
工作频率工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时,输出的能量最大,灵敏度也最高,目前多采用40kHz的工作频率。
发射声压级(Sound Pressure Level)用于表征超声波的发射强度,声压级以符号SPL表示,将待测声压有效值Pe与参考声压比值Pref取常用对数,再乘以20得到,即,
发射声压级计算公式
其单位是分贝(dB)。
空气中参考声压Pref一般取为2*10^(-5)帕,这个数值是正常人耳对1千赫声音刚刚能觉察其存在的声压值。以106dB(10Vp-p,30cm)为例,此发射声压级表明在峰峰值为10V的电压的激励下,在离探头30cm的区域能产生压强为
106dB对应的超声波的压强
的超声波。
发射声压级越高,则发射能量越强,所能测量的距离也越长。在同等的电压激励下,发射声压级超高,则表明探头将电能转换为机械能的效率越高。
波束角度由于波的固有特性,声波的散射导致波束以一定角度向外发射。采用发射功率为中心线一半的方向角度(-6dB directivity)表示,也称半功率角。如的半功率角表明与中心线呈的方向,其超声波发射频度为中心线方向的一半。
波束角度越大则超声波方向性越差,横向侦测区域增加,但纵向侦测区域由于超声波能量的发散会相应减少,同时会增加照地的风险。
接收灵敏度表征探头在声波的激励下发生共振并产生电信号的能力。取决于制造晶片本身。机电耦合系数大,则接收灵敏度高。将待测灵敏度S(V/Pa)与参考灵敏度Sref(V/Pa)的比值取常用对数,再乘以20得到,即,
接收灵敏度的计算公式
,其单位是分贝(dB)。)
灵敏度为-72dB(0dB=10V/Pa)的探头,压强为1Pa的超声波所能产生的电信号幅度为
电信号幅度计算
余振由于超声波雷达探头集发射和接收于一体。在撤消探头的激励电压后,由于压电晶片固有的机械惯性,压电晶片仍会作阻尼振荡并向外发射超声波。这就是余振。
余振
如果探头在余振期间接收到被障碍物反射回来的回波信号,回波将与余振混在一起而无法区分。因此会形成测距的盲区,测距盲区为(声速*余振长度)/2;以1.6ms的余振为例,测距盲区为
测距盲区
这意味着当我们倒车时,距离车屁股0.272m的障碍物是无法被检测到的。
感度压电晶片转换出来的电信号通过放大、滤波、整形后得到数字信号。
感度表明系统检测回波信号的能力,不仅与接收灵敏度有关,而且与放大、滤波、整形等电路有关。感度越大,则侦测能力越强。
必须根据探头的接收灵敏度,运放的输入噪声、CMRR、PSRR、滤波器的频率特性、接收信号的频率特性、接收信号的信噪比等合理设计电路,
以获得最理想的感度。
频率提高,超声波探头侦测角度的变化频率越高,声波波动性越不明显,单向性越强,能量集中,因此波束角度将减小,垂直,水平侦测角度也越小。
同时,频率越高,在声波传播过程中的能量损失越大,衰减急剧增加。因此传播距离越短。
尺寸变化对侦测角度的影响压电晶片尺寸增加,则波束角度减少,波束指向性变好,超声波能量集中尺寸越大;
其垂直、水平侦测角度就越小。
同时,辐射的超声波能量大,探头未扩散侦测范围变大。