- 超音波は、人間の聴覚器官で聞き取る事のできない16kHz以上の周波数の高周波な音の事である。
- 超音波は、気体中で減衰しやすい。
- 硬い物(金属、木材、コンクリート、ガラス、ゴム、紙など）は超音波をほぼ 100% 反射するので
これらの物体の有無は十分検知することが出来るが、布、グラスウール、綿、の柔らかくて空気を含んでいる物体は超音波を吸収するため物体の有無の検知が難しい。
物体の表面が凸凹だと超音波が乱反射をしてしまう為に測定が難しくなる。
fig1にこれらの減衰現象の様子を示す。
fig1 距離による音圧の減衰特性
- 超音波の伝搬速度
空気中における超音波の伝搬速度(v)は、(I)式で表される。
v =331.5 + 0.607z(m/s) z:摂氏温度(ºC)………(I)
(I)式から、摂氏温度が高くなれば超音波の伝搬速度は速くなる事が分かる。
よって、超音波を用いて物体までの距離を測定する場合、精度の良い値が欲しい時は、温度補正を行う。
※しかし、実際に10ºCの時と20ºC(気温差10ºC)の時に超音波が１ｍ進んだとする。
z=10(ºC) v = 337.5(m/s) t = 2.96(ms)z=20(ºC) v = 343.5(m/s) t = 2.91(ms)したがって、10ºCの温度差があっても伝搬に要する時間と言うのは、変化が少ないので温度差は気にしなくても良いと思う。
- 超音波の距離測定法
(I)式より求めた、超音波の伝搬速度(v)を利用して、距離(d)が次のように求められる。
なお、超音波が発信されてから反射波が検出されるまでの時間をtとする。
d=v×0.5t
そのビームの形状を超音波トランデューサの指向性と言う。
市販されている超音波トランデューサの指向性は、それ程鋭くなく、半値角として 20º〜 30º程度の広がりを持つ。
超音波センサの指向性が広いと、センサによって計測された対象物体の形はかなりボケたものになる。
すなわち、超音波センサは、距離方向の分解能はよいが、横方向の分解能はよくない。
この指向性を改善する方法として、トランデューサにホーンアンテナを取り付ける手段がある。
アンテナには一般に指向性を鋭くすると同時に、中心方向のゲインをかせぐという利点がある。
ただし、ホーンアンテナの設計を理論的に行なうことは難しいので、ある程度の試行錯誤によってホーンの形を決める必要がある。
fig2 超音波の広がり
ホーンの設計例を示す。
fig3 ホーンの設計例
超音波のような波が対象物に当たった場合、対象物が凹凸のある表面を持っていたとするならば、超音波は散乱しあらゆる方向に反射波が進んでいく。
しかし鏡面を持っていたとすると入射角と反射角の関係から反射波は反射角の方向にしか観測されない。
センサに対して斜めの鏡面は観測されにくいと思われる。超音波にとってどの程度までが散乱面なのかは波長 λ から知ることが出来る。
以下にその関係式を示す。
v = λ f
ここで 20 ºCの空気中の音の伝搬速度を求めると､v = 343.5
超音波の周波数を 40 KHz として波長 λ を求める。λ = v ÷ f = 343.5 ÷ 40K = 8.6 [mm]
以上の結果により、対象物の凹凸が約 8.6 [mm] 以上の場合には散乱面とみなされる。空気中を飛んできた超音波を受けてそれを電気信号に変換する超音波マイクロホン（受波器）を
合わせて超音波トランデューサと言う。
音は空気の振動であるから超音波トランデューサは、電気信号を機械的振動に変えたり、その逆の役割も果たす。
これらの電気振動変換素子は原理的には一つの素子が送波器にも受波器にも働くが送波と受波では空気の振動振幅にも大幅に異なり、
しかもインピーダンスを変えたほうが効率がよいので別個のトランデューサを利用するのが普通である。
fig4 超音波トランスデューサー
そこで、この回り込み波対策の例として２つを示す。
- 計測禁止期間を設ける
測禁止期間を設ける事により、送信トランスデューサからの超音波を物体からの反射と認識する事を防ぐ。
距離を 2 回測定して、その値が違っていたら再度センサを働かせるというようなソフトウェアによる対策が有効である。
- クロック発信機による回り込み波防止＆長距離・短距離検出
以下のように回り込み波防止＆長距離・短距離検出ができる。
fig5 回り込み波防止＆長距離・短距離検出回路例
fig6 波形
fig6より、クロック波形を延長する事で、短距離及び長距離波も検出する事ができる。
fig7 波形２
fig7のように、クロックの波の延長度が小さかったら、回り込み波を検出してしまい正確な距離測定ができない。
fig8 波形3
逆に、fig8のように、波形の延長度が大きすぎても、短距離の検出ができなくなる。
したがって、クロックの延長度をうまく短距離の物体の反射がトランスデューサで受信される地点に来るように、調整する必要がある。
