劉雪林，張 旭，史湘?zhèn)?，薛德寬，黃興洲，陳文娟

(中國石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580)

超聲檢測是聲學(xué)專業(yè)的一個比較重要的研究方向，超聲波測距是一種非接觸式檢測方式，具有不受光及電磁波等外界因素干擾，檢測范圍廣，檢測靈敏度高，方向性好，成本低等優(yōu)點，因而得到廣泛應(yīng)用。隨著電子技術(shù)的不斷成熟與發(fā)展，各機構(gòu)研制出了很多電子導(dǎo)盲設(shè)備，幫助盲人解決行走不便的問題。中國科學(xué)院聲學(xué)研究所通信聲學(xué)實驗室在“產(chǎn)品功能區(qū)創(chuàng)新成果展館”展出了研制的超聲波導(dǎo)盲儀能夠提供前進路上1 m到5 m范圍內(nèi)的障礙物識別預(yù)警服務(wù)［1］。但由于空氣對超聲波的吸收與超聲波頻率的平方成正比，因而測距中所用的超聲波的頻率不能很高，而頻率越低，相應(yīng)的波長越長，測距的相對誤差也越大，所以測量距離遠(yuǎn)和測量精度高產(chǎn)生矛盾。在教學(xué)實踐的基礎(chǔ)上，引入了雙頻超聲波測距技術(shù)，可擴大探測距離，從而設(shè)計出同時具有大量程與高精度的導(dǎo)盲系統(tǒng)［2-6］。

1 測距原理

1.1 超聲波的相關(guān)概念

超聲波是指頻率高于20 KHz的機械波，具有直線傳播的能力，常用于距離的測量。利用超聲波在超聲場中的物理特性和各種效應(yīng)研制的裝置稱為超聲波換能器或超聲波傳感器，一般有收發(fā)一體式和收發(fā)分體式兩種結(jié)構(gòu)形式。

超聲波測距通常采用回波渡越時間法，檢測超聲波從超聲波發(fā)射探頭發(fā)射經(jīng)過介質(zhì)傳播后被接收探頭接收所需的時間Δt，即渡越時間。

如圖1，當(dāng)超聲波發(fā)射傳感器和接收傳感器之間距離很小，即h＜＜S時，d≈S，則聲源到障礙物的距離:

式中:v 為某一溫度下的聲速。

圖1 回波渡越時間法原理圖

1.2 雙頻超聲波測距的原理

雙頻超聲波測距技術(shù)則是在超聲波測距技術(shù)的基礎(chǔ)上做了適當(dāng)改進，其原理是:利用超聲波傳感器先后發(fā)射兩種頻率不同的雙頻超聲波，波長短的超聲波測量精度高，但由于頻率高，空氣對它的吸收大，因而適用于近距離測量;而空氣對低頻的超聲波吸收較小，可以到達(dá)較遠(yuǎn)處的目標(biāo)，用來測量比較遠(yuǎn)的障礙物，因此保證了在整個測距范圍內(nèi)精度相對一致，從而實現(xiàn)大量程與高精度兼得。

2 實驗裝置

本導(dǎo)盲系統(tǒng)主要由單片機控制電路，太陽能供電電路，以及報警裝置等組成。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框見圖2。

圖2 雙頻超聲波導(dǎo)盲儀原理框圖

2.1 單片機控制電路

單片機控制電路主要由單片機進行控制，包括超聲波發(fā)射電路與接收電路，其電路圖見圖3。

其中stm32f103為單片機，TVG為時間電壓增益控制器，PreAmpH和PreAmpL分別為高頻通道和低頻通道的前置放大器，BPH和BPL分別為高低頻通道帶通濾波器。

單片機控制電路采用收發(fā)一體式的超聲波傳感器。當(dāng)單片機接到啟動命令后，立即從I/O口發(fā)送出一串頻率約為40 KHz的高頻信號，而后發(fā)送出一串頻率約為25 KHz的低頻率信號，同時計時器開始計時，這兩種頻率的信號被功率放大后，推動超聲波換能器發(fā)出兩種頻率的超聲波。發(fā)出的超聲波遇到障礙物反射后，形成回波，回波經(jīng)由前置放大、帶通濾波及檢波后，形成高頻回波脈沖和低頻回波脈沖。由于高頻聲波先發(fā)出，對同一目標(biāo)，高頻回波脈沖先到達(dá)接收器，因此用高頻超聲波探測近距離的目標(biāo);而遠(yuǎn)處的目標(biāo)由于高頻超聲波被空氣吸收而大幅衰減，所以回波只有低頻聲波。回波信號傳到單片機后計時器停止計時，通過發(fā)射接收超聲波的時間差就可計算出障礙物的距離。

圖3 超聲波發(fā)射接收模塊電路圖

由于溫度對超聲波傳播的影響較大，因此還必須及時對聲速進行修正?？諝庵新曀倥c溫度的關(guān)系為:

因此需要在上述超聲波發(fā)射接收電路中加入一個數(shù)字溫度傳感器Ds18B20，實時檢測環(huán)境溫度，并將通過傳感器將測得的溫度T轉(zhuǎn)化為一個與其成正比的頻率信號f，傳至單片機處理后來修正聲速，從而使測得的距離更精確。

2.2 供電裝置

供電模塊由太陽能電池板、太陽能控制器以及可充電的鎳氫蓄電池等組成。將太陽能電池板置于導(dǎo)盲儀外部，產(chǎn)生的直流電為主控制電路供電，并將多余電量貯存在蓄電池中。目前常用的太陽能電池為硅太陽電池，其工作原理是:當(dāng)入射光能量大于硅的禁帶寬度時，會在其內(nèi)部形成電子-空穴對，在結(jié)電場的作用下，大部分光生空穴被推到P區(qū)，而光生電子被推到N區(qū)。隨著太陽光的不斷照射，光生電子和空穴會在N區(qū)和P區(qū)不斷積累，從而在兩側(cè)產(chǎn)生一個穩(wěn)定的電位差，即光生電動勢［7-8］。太陽能供電模塊工作框圖見圖4。

圖4 太陽能供電模塊框圖

2.3 報警裝置

報警裝置采用HYV040語音芯片，它是一款功能強大的語音編程芯片，抗干擾能力強，性能穩(wěn)定，具有自動節(jié)電控制功能，將導(dǎo)盲儀的所有探測距離需要播放的語音(如“前方障礙物距離為1米”)按不同結(jié)果錄制好，通過語音芯片配套的語音編程軟件直接下載到OTP存儲器中永久儲存。將經(jīng)過單片機計算出的障礙物距離傳至語音芯片，芯片中的程序根據(jù)檢測數(shù)據(jù)的處理結(jié)果判斷并選擇要播放的語音段，并將聲音信號送到輸出端，通過揚聲器來播放障礙物距離。

3 軟件設(shè)計

該導(dǎo)盲儀的軟件設(shè)計主要由主程序、超聲波發(fā)射接收子程序和數(shù)據(jù)處理子程序等組成，其控制核心為stm32f103單片機。單片機控制超聲波傳感器先發(fā)射10～16個完整波形的高頻超聲波，然后發(fā)射4～8個完整波形的低頻超聲波，并啟動定時器定時，當(dāng)檢測到高頻或低頻回波時計時器停止計時，讀取時間差。同時溫度傳感器將檢測的環(huán)境溫度轉(zhuǎn)化成頻率信號傳至單片機以修正聲速，從而計算出障礙物的距離。探測結(jié)果傳至語音芯片，判斷并選擇要播放的語音段，播放障礙物距離以提醒盲人。其流程圖見圖5。

圖5 導(dǎo)盲儀工作流程圖

4 聲場模擬分析

超聲波聲場即充滿超聲波的空間，超聲場中的聲壓分布可以反映超聲波的聲場特性［9-12］。超聲波某一點在某一瞬間所具有的壓強與超聲波聲場不存在時同一位置的靜態(tài)壓強之差稱為該點的聲壓。為研究不同頻率的超聲波傳播時的超聲場分布情況，用水作為傳播介質(zhì)，采用直徑12 mm的超聲波換能器，利用matlab軟件對不同頻率的超聲波聲場進行仿真，得到的聲壓分布圖見圖6。

圖6 不同頻率的聲壓分布圖

從圖6中可以看出，頻率高的超聲波輻射范圍小，但聲能集中在中心軸線的能力提高，測量精度高，因此適用于探測近處的物體。而頻率低的超聲波輻射范圍廣，可以到達(dá)遠(yuǎn)處目標(biāo)，因此可以用來探測遠(yuǎn)處的物體。

5 結(jié) 論

本導(dǎo)盲系統(tǒng)采用雙頻超聲波測距技術(shù)可以將探測距離擴大到十幾米甚至二十米，解決了測量范圍大與測量精度高的矛盾，實現(xiàn)了大作用距離與高精度兼得的優(yōu)勢。同時，采用太陽能供電，節(jié)能環(huán)保，報警裝置則可以語音播報障礙物距離。該實驗可用在聲學(xué)專業(yè)的相關(guān)實驗課程中，以加深學(xué)生對超聲波探測技術(shù)的理解與應(yīng)用，極大地提高其動手能力。

［1］王麗麗.電子導(dǎo)盲儀的發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢［J］.甘肅科技，2012，28(3):99-100.

［2］張旭輝，馬宏偉.超聲波無損檢測技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢［J］.機械制造，2002，455(40):24-25.

［3］王潤田.雙頻超聲波測距［J］.聲學(xué)技術(shù)，1996，15(3):116-118.

［4］趙天菲，馮爐，譚昭.導(dǎo)盲拐杖項目［J］.中國科技信息，2013(14):134.

［5］孟赟.太陽能電池模擬電源的研究與設(shè)計［D］.上海:上海交通大學(xué)，2008.

［6］Matoshi Hashino，Sho Yamada，K.Miesenberger et al.An Ultrasonic Blind Guidance System for Street Crossings［J］.2010，6180:235-238.

［7］張莉.HYV040語音芯片在便攜式檢測儀中的應(yīng)用［J］.集寧師范學(xué)院學(xué)報，2013，35(1):113-115.

［8］吳飛斌，張晉平，陳文娟.太陽能超聲波導(dǎo)盲器的研制［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34(17):137-140.

［9］蒙海英.基于MATLAB的超聲波聲場模擬及可視化研究［D］.大連:大連理工大學(xué)，2008.

［10］劉雪林，史湘?zhèn)?，黃興洲.超聲波測距聲場仿真研究［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37(5):101-104.

［11］李艷琴.超聲波專題實驗開展及其傳播特性研究［J］.大學(xué)物理實驗，2014(3):87-90.

［12］李志杰，趙騫.超聲波聲速測量方法的探討［J］.大學(xué)物理實驗，2012(4):26-28.