超声波水声声压计设计

超低频声压水听器的设计仿真与测试于砚廷;苏伟;王振;张超;郑轶【摘要】随着减振降噪及消声技术的发展,水声探测技术逐渐向低频段延伸.相应地,对适用于超低频频段且具有高灵敏度的水听器需求也越来越迫切.该研究基于有限元理论,对4种形式的声压水听器进行了灵敏度对比分析,构建了超低频、高灵敏度声压水听器的系统模型;通过仿真,得到了其前二阶模态,空气及水中的导纳曲线,以及声压接收灵敏度,仿真结果表明,超低频频段内,该研究设计的声压水听器在空气及水中的频响曲线平坦.基于仿真结果进行了样机制作,对所研制的实物样机进行了实验测试,测试结果表明该种声压水听器具有良好的超低频响应特性以及较高的灵敏度.通过对实物样机的测试,验证了其实用性.【期刊名称】《海岸工程》【年(卷),期】2019(038)002【总页数】9页(P96-104)【关键词】超低频声压水听器;有限元法;谐振频率;声压灵敏度【作者】于砚廷;苏伟;王振;张超;郑轶【作者单位】齐鲁工业大学(山东省科学院) ,山东青岛266100;山东省海洋环境监测技术重点实验室 ,山东青岛266100;国家海洋监测设备工程技术研究中心 ,山东青岛266100;中乌共建海洋声学科研创新联合实验室 ,山东青岛266100;齐鲁工业大学(山东省科学院) ,山东青岛266100;山东省海洋环境监测技术重点实验室 ,山东青岛266100;国家海洋监测设备工程技术研究中心 ,山东青岛266100;中乌共建海洋声学科研创新联合实验室 ,山东青岛266100;齐鲁工业大学(山东省科学院) ,山东青岛266100;山东省海洋环境监测技术重点实验室 ,山东青岛266100;国家海洋监测设备工程技术研究中心 ,山东青岛266100;中乌共建海洋声学科研创新联合实验室 ,山东青岛266100;齐鲁工业大学(山东省科学院) ,山东青岛266100;山东省海洋环境监测技术重点实验室 ,山东青岛266100;国家海洋监测设备工程技术研究中心 ,山东青岛266100;中乌共建海洋声学科研创新联合实验室 ,山东青岛266100;齐鲁工业大学(山东省科学院) ,山东青岛266100;山东省海洋环境监测技术重点实验室 ,山东青岛266100;国家海洋监测设备工程技术研究中心 ,山东青岛266100;中乌共建海洋声学科研创新联合实验室 ,山东青岛266100【正文语种】中文【中图分类】TP181声波是目前人类所掌握的唯一能在海洋中实现远距离传播的信息载体[1]。

摘要目前，我国家庭用水的计量多采用机械旋翼式水表，这种水表存在精度低等缺点。

本文设计了一种基于超声波技术的适合家用的水流量计，具有精度高、操作简单、低成本等优点。

本设计的主要工作有两个方面：一是硬件设计，二是软件设计。

硬件设计系统选用了高精度时间间隔测量芯片TDC-GP2用于时间测量，以及控制发射脉冲，以超低功耗的MSP430F427单片机作为系统的核心，用于控制及计算处理。

结合超声流量计阀值比较模型和超声波信号过零点不受其电压幅度变化影响的优点，提出了过零阀值比较模型，阀值比较模型可以有效去除接收换能器接收到超声波信号之前的干扰信号，而超声波过零点不随其电压幅度变化而变化，结合两者的优点可以有效抑制静态时间差变化很大的范围。

同时设计了脉冲计数电路，消除了部分干扰。

采用GP2通过芯片，与传统的高速计数器相比，具有极高的精度，并可以在1MHz的频率下完成电路，避免了高频电路的干扰等复杂问题，有效提高流量计测量精度和稳定性。

在设计软件时，为提高时间测量精度，消除干扰，设置了有效时间区间，无效时间，减少了干扰的影响。

为降低功耗，间断性关断放大器电源，节省了电池电量，延长了更换电池的周期。

关键词：时差式超声波流量计；低功耗；精度；MSPAbstractAt present, most household water flow meters in our country is Mechanical rotor-type, but this type of water meters low accuracy existing shortcomings. This paper introduces a design of ultrasonic technology based on suitable for household water flow meter, with high precision, simple operation, low cost, etc. This design main job has two aspects: one is the hardware design, and the second is the design of software. Hardware design systems use the high precision time-interval measurement chip TDC for measuring time-GP2, and control the firing pulse, with low power consumption of MSP430F427 single chip microcomputer as the core of the system to control and calculation processing. Combining ultrasound flow meter threshold is model and the ultrasonic signal zero from its voltage amplitude change the advantages of influence, and puts forward the zero threshold is model, threshold model can effectively remove is receiving receivers ultrasonic signal to the disturbance signal before, and with the ultrasonic zero voltage amplitude variation and change, combined with the advantages of both static time difference can effectively restrain the scope of the big changes. At the same time the pulse counts circuit design, eliminate some of the interference. GP2 use internal propagation delays of signals through gates to measure propagation time of system. The GP2 through the chip, and traditional high-speed counter, it is characterized by high precision, and can be in 1 MHz frequency complete circuit, to avoid the interference of high frequency circuit complex problems, effectively improve the flow meter measurement accuracy and stability. In the design software, to improve the time the measurement precision, eliminate interference, set up effective time interval, invalid time and reducing the effects of theinterference. To reduce power consumption, intermittent shut off the power amplifier, save the battery power, extended the replacement battery cycle.Keywords: ultrasonic flow-meter with time difference method; low power; measurement precision; MSP430目录1 引言 (1)1.1 本课题研究的目的和意义 (1)1.2 国内外研究情况及其发展 (2)1.3 本设计的主要研究内容 (7)2 超声波流量计的原理与分类 (9)2.1 流量仪表的基本概念 (9)2.2 超声流量计分类及应用特点 (10)2.3 时差法超声流量计工作原理 (13)2.4 流体状态对时差法超声流量计精度的影响 (15)2.5 本章小结 (17)3 超声换能器的研究与设计 (18)3.1 超声换能器的总体介绍 (18)3.2 超声换能器参数指标 (19)3.3 压电陶瓷晶体的谐振特性 (19)3.4 超声换能器的电匹配及其实现 (20)3.5 本章小结 (21)4 时差法超声流量计系统功能的实现 (22)4.1 系统的构成 (22)4.2 微处理的选择 (23)4.3 计时模块 (24)4.4 切换开关及驱动电路 (27)4.5 信号处理部分 (29)4.6 LCD显示模块 (37)4.7 接口模块 (37)4.8 电池电量检测模块 (39)4.9 稳压电路模块 (40)4.10 时钟模块 (41)4.11 按键电路 (41)4.12 软件功能分析 (42)4.13 本章小结 (45)5. 水表功能介绍 (46)5.1 硬件方面 (46)5.2 软件方面 (47)5.3 误差的基本理论 (47)5.4 抗干扰措施 (49)6 总结及展望 (52)6.1 总结 (52)6.2 展望 (52)参考文献 (54)附录基于超声波传感器的水流量计电路图 (56)致谢 (57)1 引言1.1本课题研究的目的和意义我国水资源总量丰富，但人均水资源占有量仅相当于世界人均水资源占有量的1/4，位列世界第121位，是联合国认定的“水资源紧缺”国家。

超声波液位计设计方案1 基本原理利用超声测距的主要方法有脉冲回波法、共振法和频差法，其中脉冲回波法使用的比较普遍。

其原理是超声传感器发射超声波，在空气中传播至被测物，经反射后由超声传感器接收反射脉冲，测量出超声脉冲从发射到接收的时间t，在已知超声波声速C 的前提下，可计算出被测物的距离D，即： D = C×t/2 。

2 技术参数发射信号频率：60kHz或40kHz发射信号-6dB指向角：30°（60kHz）、80°（40kHz）测量频率：20～30次／min测量范围：0.3～5m测量精度：0.2%FS或8mm，取其较大者供电：24VDC数据输出：4～20mA（0m：4mA，5m：20mA）3 仪器组成本仪器的主要构建由壳体、超声传感器、电路三部分组成，外形如下图所示：4 仪器电路组成及原理框架CPU采用TMS320C5509或MSP430F149系列16位单片机，单片机实现整个仪器的控制及测量结果的运算、判决等，其内部自带的D／A转换器可以方便的控制HART 转换器，实现HART数据传送。

超声波在空气中的传输衰减将导致在整个测量范围内回波信号的强度将有很大的差异，因此AGC在超声信号检测中是不可缺少的。

由于发射完成后的短时间内换能器还有一定余振，为了保证其不影响回波信号的正常接收，在发射开始到发射完成后15～20ms内接收电路暂停接收。

考虑到声速在不同的温度环境下有较大差异，因此为了保证测量精度，校准电路是必不可少的。

5 测量精度保证措施1 环境温度影响：环境温度影响是超声测距最重要的误差来源，传统的方法通常是利用温度传感器测量环境温度，利用经验声速之进行校准，这种方法简单易行成本比较低，但是过分以来经验值，无法消除除温度以外的其他环境因素的影响。

在本仪器中将尝试采用实测声速校准的方法，利用现场测量的声速值进行计算，在最大程度上降低由于声速值误差带来的系统误差。

2 发射能级控制：根据测量结果判断被测物距离，实时调整发射功率，使发射功率保持在合理的范围内，从而降低由于发射功率过大而产生混响。

基于超声回波声压特性的外感式液位测量系统的设计张亮;张彦军;张斌;彭晴晴;王利斌【摘要】针对传统液位测量系统在复杂环境下对密闭容器内液位进行测量时测量精度低、可靠性差等问题.设计了一种外感式液位测量系统.该系统通过比较容器内液体液面上下方超声回波声压的不同,实现液位的测量.硬件电路采用增益可控的仪表放大器AD603辅以高速运算放大器AD818组成超声波驱动电路,实现了不同幅值的激励信号的输出;利用峰值检波电路对回波信号进行检波处理.通过实验验证,该系统能有效的测量密闭容器内的液位,测量误差小于3 mm.【期刊名称】《电子器件》【年(卷),期】2018(041)005【总页数】4页(P1315-1318)【关键词】超声波;回波声压;外感式液位测量;可靠性【作者】张亮;张彦军;张斌;彭晴晴;王利斌【作者单位】中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原030051;中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051;中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原030051;中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051;中北大学电子测试技术国家重点实验室,太原030051;中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051;北方自动控制技术研究所,太原030006;北京强度环境研究所,北京100076【正文语种】中文【中图分类】TP23随着工业自动化生产的快速发展,液位测量系统被广泛应用于化工、能源、航天、石油等领域。

在这些应用领域中,由于其环境的复杂性,使得被测液体必须处于一个大尺度、密闭、低温、高压环境,不能接触电、磁、碰撞等危险部件。

这就对液位测量系统提出了更高的要求[1-2]。

外感式超声波液位测量系统,是一种非浸入式的液位测量系统,主要是利用超声波的反射、折射、衰减等物理性质来实现检测的目的。

与传统的液位检测系统相比,无需对被测容器开孔,不破环密闭容器的物理结构及完整性,且对检测环境及检测对象的适应性强,无需额外的防护措施,为生产过程的安全性提供了重要保障[3-4]。

基于参考声速法超声波液位计的测量专业：电机与电器班级：06班姓名：陈志伟学号：2012230基于参考声速法的超声波液位计的设计摘要目前市场上的超声波液位计品种多样，大多采纳温度补偿方式对超声波传播速度进行校正，以提高仪表测量精度。

此方式需在系统外加一个温度测量单元，通过测量环境温度，取得实际声速；由此也引进了温度测量误差，从而限制了系统精度的进一步提高。

本文是利用参考声速法实现声速校正的超声液位测量系统。

设计中采纳气介式测量方式，将一个反射性能良好的挡板固定在超声波探头和液面之间通过测量挡板回波的时刻，实现精准的声速校正，从而大大提高液位测量精度。

此系统不但继承了传统超声波液位计的优势，而且无需搜集环境温度，幸免了由于测温误差引发的系统误差。

文中以超声波原理为理论依据, 以超声波传感器为接口部件, 利用超声波在空气中传播的时刻差来测量距离, 从而设计了一套超声波测距系统。

这种新型声速校正方式相关于传统补偿方式，性能加倍优越，是尔后超声波液位测量的进展方向，具有广漠的进展前景。

关键词：超声波液位计，探头，声速校正，挡板目录第一章绪论1.1液位测量的意义1.2液位计的种类1.3超声波液位计1.3．1超声波液位计的历史、现状与进展1.3．2超声波液位计测量方式第二章整体设计方案第三章硬件第四章软件第五章结论与展望第六章第一章绪论目前不管是开渠水位的测量、大型油罐液位的测量，仍是小型容器液位的测量，或是其他液位系统的测量，都对测量精度提出了愈来愈来高的要求。

例如，石化部门利用的大型油罐容量一样在1000-100000m3之间，很小的测量误差都将会造成专门大的绝对误差，因此提高液位测量精度，不仅对油罐的测量有很重要的意义，在其他液位测量系统中，也处于愈来愈来重要的地位。

最近几年来，随着电子技术的迅速进展，液位测量仪表中的测量技术经历了有机械想机电一体化再到自动化的进展进程。

结合这两大技术，尤其是将微处置器引进液位测量系统，使得液位计的精度愈来愈来高，愈来愈来向智能化、一体化、小型化进展。

超声声场测定的常用参数2024（全文）聚焦超声声场测定涉及多个关键参数，这些参数的具体数值会根据不同的设备、应用场景和测矗条件而有所变化。

以下是一些常用的参数及其一般性的描述，但请注意，这些描述并不包含具体的数值，因为具体的数值需要根据实际情况进行测益和确定。

一、常用参数声压(Sound Pressure)描述：声压是表示声波在介质中传播时引起的压力变化的物理量，通常以帕斯卡(Pa)为单位。

重要性：声压是衡量超声波能量大小的重要指标，对千聚焦超声而言，焦点处的声压值通常较高，是评估治疗效果的关键参数。

声强(S ound Intensit y)描述：声强是单位时间内通过单位面积的声能量，通常以瓦特每平方米(W/m2)为单位。

重要性：声强反映了超声波在传播过程中的能量密度，对千确定治疗区域和避免对周围组织造成损伤具有重要意义。

声功率(Sound Power)描述：声功率是声源在单位时间内辐射的总声能益，通常以瓦特(W)为单位。

重要性：声功率是衡晕超声设备性能的关键指标，它决定了超声波能够传递的总能量。

焦点声强(F ocal Intensity)描述：焦点声强是聚焦超声在焦点处的声强值。

重要性：焦点声强是衡量聚焦效果的重要参数，它决定了治疗区域的大小和治疗效果。

声焦域(Focal Zone)描述：声焦域是指超声波聚焦后形成的具有一定声强分布的区域。

重要性：声焦域的大小和形状对千治疗效果至关重要，它决定了治疗区域的精确度和范围。

频率(Fr equenc y)描述：频率是超声波的振动次数，通常以赫兹(Hz)为单位。

重要性：频率决定了超声波的穿透能力和聚焦效果，对千不同深度和类型的组织治疗，需要选择合适的频率。

焦距(Focal Len gth)描述：焦距是从超声换能器到焦点的距离。

重要性：焦距决定了治疗区域的深度和位置，对千精确控制治疗区域具有重要意义。

8．能量通量密度(E F D)能量通量密度(E F D)，有时也称为能量通量、能量密度或脉冲强度积分(PI I)，它以mJ/m m2表示，通过将声能除以面积获得，即定义为每单位面积每个脉冲传输的能量。