「乐高编程启航 第八课」声与波，听而见之

　　作为机器人的“眼睛”，小E的视觉系统与人眼相比还存在一定差距。不同的需求和应用环境需要采用不同的传感器设备。

　　颜色传感器可以让小E检测和识别光线数据，但它无法提供距离信息。仅通过光强和光照变化，机器人难以判断物体的远近。

　　为了让小E具备距离感知能力，我们采用超声波传感器。

　　01认识超声波

　　超声波是一种高频率的声波,频率大于人耳能听到的最高频率。当这种高频声波传播时,它的震动频率太快,人耳听不到。

　　我们平时听见的各种声音，其实是有频率的。

　　人耳可听频率范围一般为20赫兹到20000赫兹（简写为20Hz到20kHz）。

　　这意味着：

　　·低于20Hz的声波频率太低，人耳听不到，称为次声波；

　　·高于20kHz的声波频率太高，人耳也听不到，称为超声波；

　　·在20Hz到20kHz的频率范围内，人耳可以感知到这些声音。

　　所以在普通情况下，人类只能听到频率在20Hz到20kHz范围内的声音，无法感知超低频次声波或超高频超声波。一些动物如犬、蝙蝠、鲸豚等的听觉范围要更宽广，可以听到比人耳更高或更低的频率。

　　02超声波如何测量距离？

　　声波是会反弹的，就像我们在山上，对着对面的山大喊一声，一会会听到回音。这样我们就可以测出两座山之间的大概距离。

　　声音的传播本身需要“介质”。什么是介质？就是声音通过的各种媒介。在不同介质中，声音的传播速度会不同。

　　

　　举个例子来理解利用回声测距的原理。

　　当我们向山那边大喊时，发出的声音通过空气这种介质传播，它在空气中的速度约为340米/秒。

　　如果我们喊叫后过了1秒钟听到回声（回响），那么：

　　·发出的声音花了0.5秒传播到山上，之后立即反射回来；

　　·反射回来的声音又花了0.5秒传回我们耳边；

　　·所以，总时间为1秒=去程0.5秒+回程0.5秒

　　·知道声音在空气中的速度340米/秒，那么去程0.5秒内声音传播了340×0.5=170米

　　·所以，两座山的距离约为170米

　　这个例子很好地说明了如何利用声音在空气中传播的速度，结合听到回声的时间，来计算声源到障碍物（如山）的距离。

　　

　　回声测距的原理基于：

　　·声音在空气等介质中的传播速度是已知的；

　　·声音从发射点到障碍物然后反射回来需要一定时间；

　　·这个来回时间与介质中的声速和距离成正比，可以计算出距离的数值。

　　同理，我们只要知道了发射的超声波是多少速度，然后它回弹回来用了多少时间，就可以算出前方距离。当然，这不用我们来计算，小E的程序会自动帮我们计算好。

　　同时，我们生活中其实有很多动物天生就会使用超声波。

　　

　　一些生活在黑暗环境里的动物，如蝙蝠和海豚，其视觉器官并不发达，无法依靠视觉来定位与探测。为此，它们进化出了使用超声波的能力。

　　相比之下，我们使用的颜色传感器需要有光照，并且只能在较近距离感知物体。

　　一旦光线变暗或消失，颜色传感器将失去作用，无法担当探测的任而超声波传感器则不受光线影响，它可以在任何光照条件下，甚至在完全黑暗的环境中发出超声波并探测回波，判断物体是否存在以及其相对距离。

　　这使得超声波传感器成为机器人等设备在低光或无光环境下感知周围世界的重要手段，拥有其他传感器难以比拟的优势。

　　

　　另外，这项技术在上世纪就广泛运用在了生活中。我们能经常见到运用超声波的设备，比如：超声波眼镜清洗器，通过超声波在清洗液中激发出的空化、空穴和冲击波等强力现象，对眼镜产生强劲的冲刷与扫除作用，达到彻底而迅速清洁眼镜的目的。与普通的眼镜清洁方式相比，这是一种更加高效的清洁技术手段。

　　03使用超声波传感器

　　超声波传感器，一共有两种模式可以使用。

　　

　　超声波传感器的第一种工作模式是测距模式。

　　在这个模式下，超声波传感器会同时发射和接收超声波，通过测量超声波往返所需时间计算出障碍物的距离。

　　在测距时，我们需要选择合适的长度单位。

　　常用的单位有厘米（cm）和英寸（in）。1英寸约等于2.54厘米。

　　厘米——ntimetre（s）——缩写cm

　　一个是英寸——inch（es）——缩写in

　　厘米是公制单位，精度较高，一般用于技术测量。而英寸及其衍生单位英尺（ft）和码（yd）则源自英式单位，在生活中较为常见，如电视屏幕大小常用英寸表示。1英尺等于12英寸，1码等于3英尺。

　　中国古代也有类似的长度单位，如寸、尺、丈等。这些单位经常出现在古籍古诗中，如“飞流直下三千尺”“一片孤城万山”等。

　　在测距模式下，我们只需要根据实际需要选择厘米、英寸或其他合适单位，超声波传感器就可以完成距离数据的测量与采集工作。通过测量超声波从传感器发出并返回的时间，并结合声速，我们可以计算出障碍物与传感器之间的距离。

　　

　　注意：

　　1、小E的超声波传感器测距工作范围是3~255cm。低于3cm探测不出，超过255cm显示最大值255cm。使用中要控制好！

　　2、超声波传感器是基于声波反射来工作的，它可能无法有效检测出纹理表面或圆形物体。太小的物体也有可能检测不出。

　　超声波传感器的第二种工作模式是监听。

　　在这种模式下，超声波传感器只接收外部的超声波信号，而不发射超声波。它用于检测环境中是否存在发射超声波的传感器或设备。

　　监听模式较为特殊，通常需要至少两个超声波传感器配合使用，一个用于发射超声波，一个用于接收与监听。

　　

　　例如，我们要做一个定点监测物体通过位置的装置，类似高速公路收费站记录车辆通过的功能。这时可以采用一个超声波传感器发射超声波，在一定距离外布置另一个超声波传感器接收与监听，当监听到超声波信号时，即表示有物体通过发射传感器和接收传感器之间。

　　通过超声波的发射与监听，可以在许多地方“拉起一条无形的线”来满足不同的需求。

　　04小案例

　　示例 1：在墙壁之前的特定距离处停止

　　

　　此程序使机器人向前驱动，直至超声波传感器检测到 10 英寸以内存在物体，随后机器人停止。此 程序使用“超声波传感器 － 比较 － 距离（英寸）”模式的等待模块等待检测到的距离小于 10 英寸。 如果超声波传感器朝向前方，则机器人会在墙壁之前大约 10 英寸处停止。

　　示例 2：在附近检测到物体时发出警报

　　

　　只要超声波传感器检测到 50 厘米以内的物体，此程序便让机器人发出声音。此程序将切换与“超声 波传感器 － 比较 － 距离（厘米）”模式一起使用以测试检测到的距离是否小于 50 厘米。如果是 这样，则切换会播放音调。切换在循环中重复执行，以便持续重复进行测试。

　　05准备好接受我的挑战了吗？

　　1.超声波传感器有几种工作模式？

　　A.三种

　　B.两种

　　C.一种

　　2.超声波传感器的测距模式可以测量的距离范围是？

　　A.0～255cm

　　B.3～255cm

　　C.5～250cm

　　3.在监听模式下，超声波传感器。

　　A.只接收超声波信号

　　B.只发射超声波信号

　　C.同时发射和接收超声波信号

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　　记得做完之后再看哦！

　　正确答案：

　　1.B

　　2.B

　　3.A

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