超音波模組工作原理

在許多開發板的實驗模組中,超音波模組是很常見的

雖然在程式積木中,很方便的就可以拖曳出用超音波模組測距的積木塊,但如果能再趁機會讓孩子聊解相關的原理和距離測量的運算,才算是有M(mathematics)嘛~~

所謂超音波是指超出人耳所能聽到的頻率 20KHz 的音波, 人類的聽覺一般只能聽到 20Hz~20KHz 左右的音域, 但某些動物如狗, 海豚或蝙蝠等, 可以聽到 20KHz 以上的超音波, 例如海豚利用超音波傳遞溝通訊息; 而蝙蝠則利用超音波在飛行中定位以避開障礙物

在空氣中傳遞的超音波其頻率在 20K~200KHz 之間, 頻率越高, 衰減程度越大, 可傳播的距離越短. 一般常用的超音波模組, 其頻率通常是 38K, 40K, 或 42KHz 這三種.

運作：

以下就以HC-SR04超音波測距模組來說明

HC-SR04 超音波模組使用的是 40KHz 的超音波, 可探測距離為 2cm~400cm.

它有如下圖所示的 Vcc (5V), Gnd, Trig, Echo 四隻腳 :

VCC (接+5V)

trig (發送端)

echo (接收端)

GND (接地)

Trig是 發送 40KHz 超聲波給物體

Echo是接收 Trig碰撞物體反射回來的超聲波

探測距離的原理就是使用 Trig發送至少10µS寬度的脈波 發射後 Echo會由低電位變為高電位 直到接收到反射回來的超音波Echo由高電位回復為低電位 其中間的反應時間 藉由換算 得到與物體之間的距離

距離的計算：

使用超音波量測距離就必須先知道聲波的傳遞速度

音速與溫度的關係如下(空氣的密度影響聲音在空氣中傳遞的速度,而溫度就是影響空氣密度的主要因素). :

音速 = 331.5 m/s + 0.6*攝氏溫度

在常溫 20 度時, 音速是 331.5 + 0.6*20 = 343.5 m/s, 大約是 344 m/s.

量測音波從發射到收到反射波的時間x音速=音波往返的距離,

因為是往返的距離,所以:

除以 2 才是和物體間的距離.

在常溫 20 度下, 音波前進 1 公分約需 58 微秒,

它是這樣算出來的 :

1 公分=0.01 公尺=(344 公尺/秒*t)/2

此處除以 2 是因為音波花了 t 秒往返走了兩倍距離,

須除以 2 才是單程距離.

t=(0.01*2)/344=5.8*10e-5=58*10e-6 秒=58 微秒

說明

Hz：(赫茲)頻率的國際單位，表示每一秒週期性事件發生的次數。

µS：(微秒)

1s：(1秒)= 1000ms(毫秒)

1ms：(1毫秒)= 1000µS(微秒)

呵呵...有沒有發現高年級的數學(時間=距離/速率)用上了呢!!