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测距神器——无影无踪的超声波!

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1880年居里兄弟发现,在石英晶体的特定方向上施加压力或拉力会使晶体表面出现电荷,并且电荷的密度与施加外力的大小成比例,这就是以前介绍压电材料的正压电效应。

二战时候被广泛应用,声呐,是一种利用声波在水中的传播和反射来进行导航和测距的技术或设备。军舰、潜艇、反潜飞机上安装声呐后,就可以确定敌方舰艇、鱼雷和水雷的方位,声呐分为主动神呐和被动声呐两种。比如潜艇 中的被动声呐是接收环境中的音源,有助于隐藏自身位置,但感应精度低,而主动声呐是主动发声来感应环境信息,虽然精度高,但是会暴露出自身的位置。

二战期间,德军损失的近900艘潜艇中,大多数是被声呐发现的,声呐在现代海战中的地位可见一斑。下图是电影《灰猎犬号》的截图,里面有很多声呐相关的镜头,感兴趣的同学可以看看。

下面是日常的消费电子中超声的典型应用,距离传感器是智能手机的标配,打电话时当手机听筒被遮挡时屏幕就黑屏,手机没有遮挡时屏幕就亮屏,手机中的距离传感器通常有红外和超声两种方案,红外方案对结构和屏幕要求很高,要非常注意漏光的影响,实现起来成本很高。而超声的方案就稍微便宜一点,现在的全面屏手机,听筒采用了隐藏式设计,作为一条缝隙隐藏于机身顶部,厚度不到1mm。超声波测距器集成在了Mic中,避免了手机正面开孔,增强了一体性同时也实现了正面面板的简洁。超声波工作时,顶部扬声器发出超声波,超声波遇到障碍物被反射到手机的MIC,手机计算发出声波到接收声波的时间来计算距离,时间越长表示手机距离障碍物越远,时间越短表示手机距离障碍物越近。

上图右图是抓测的打电话时的声波信号,用的是两台手机,一台打电话,另一台来录打电话手机听筒附近的音源并做FFT分析,可以看到大约20KHz时明显存在一条超声谱线,如果设计时没有做好,这个超声的音源会在低频出现,进而产生噪音。

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