您可能聽說(shuō)過(guò)高音尖叫可以震碎玻璃，那么是否聽說(shuō)過(guò)尖叫可以清洗玻璃?借助精確受控的高頻振動(dòng)，超聲波清洗技術(shù)便可以用于清洗玻璃表面。在雨天情況下，這項(xiàng)技術(shù)可以結(jié)合汽車的后置攝像頭鏡頭自動(dòng)檢測(cè)并清除車窗雨滴，無(wú)需駕駛員操作。
在本文中，我將介紹超聲波鏡頭清洗 (ULC) 技術(shù)以及該項(xiàng)技術(shù)如何幫助實(shí)現(xiàn)自清洗攝像頭應(yīng)用。
超聲波鏡頭清洗技術(shù)如何工作?
我們先了解下相關(guān)的物理知識(shí)。所有物體都有一個(gè)固有頻率，該頻率大小取決于物體的分子結(jié)構(gòu)和幾何形狀。如果以這個(gè)特有頻率對(duì)物體施加能量，物體會(huì)產(chǎn)生振動(dòng)或振蕩。例如，以吉他弦的固有頻率撥動(dòng)吉他弦時(shí)，吉他弦會(huì)發(fā)生振動(dòng)。同樣，以酒杯的固有頻率敲擊酒杯時(shí)，酒杯也會(huì)發(fā)生振動(dòng)。如果在某個(gè)材料上以其固有頻率重復(fù)施加能量，輸入波形會(huì)對(duì)其本身波形產(chǎn)生顯著干擾，使其振幅增大，但仍保持在同一相位內(nèi)。這一現(xiàn)象稱為共振。
為了更好地理解共振，試想一下您正在推著某人蕩秋千。在秋千恰好向后擺到最高點(diǎn)時(shí)向前推，可以讓蕩秋千的人蕩得更高。相反，如果推的時(shí)間點(diǎn)不對(duì)(例如，您跟蕩秋千的人不同步)，您的手臂會(huì)吸收一部分機(jī)械能，秋千能蕩到的高度會(huì)降低。
玻璃、硅和聚碳酸酯鏡頭都有各自的固有頻率，而其固有頻率的大小因各自的形狀和厚度而異。對(duì)這些材料以其各自的固有頻率施加超聲波振動(dòng)(或是超出人類聽力范圍的振動(dòng))，會(huì)使其產(chǎn)生共振。以玻璃物體的固有頻率發(fā)聲會(huì)使玻璃產(chǎn)生共振而破碎，與之類似，使用壓電換能器和先進(jìn)的半導(dǎo)體以特殊模式精確地施加超聲波振動(dòng)，可以有效地使物體表面的水、污垢和其他污染物脫落。下面圖 1 展示了超聲波鏡頭清洗系統(tǒng)的橫切面。圖 2 接著展示了超聲波鏡頭清洗系統(tǒng)排水的動(dòng)畫。正常情況下，超聲波鏡頭蓋振動(dòng)會(huì)產(chǎn)生約 10 微米位移，這是人眼無(wú)法感知到的。此動(dòng)畫中為方便演示，呈現(xiàn)了放大后的效果。
圖1：超聲波鏡頭清洗系統(tǒng)
圖2：超聲波鏡頭清洗系統(tǒng)排水動(dòng)畫
這項(xiàng)技術(shù)為何重要?
2014 年，美國(guó)運(yùn)輸部要求 2018 年 5 月 1 日之后生產(chǎn)的汽車必須使用后置倒車攝像頭。如今，有些汽車具有多達(dá)八個(gè)攝像頭和其他使用激光雷達(dá)等技術(shù)的外部傳感器。
這些攝像頭和傳感器只有在鏡頭清晰且無(wú)障礙的情況下能夠正常使用;濺上泥點(diǎn)或雨點(diǎn)容易使自主功能不可用。因此，隨著汽車智能性、安全性和復(fù)雜性的提升，這些傳感器可能需要滿足新的要求，以便能在所有天氣條件下正常運(yùn)行，從而實(shí)現(xiàn)自主緊急制動(dòng)等應(yīng)用。
盡管使用水管的超聲波清洗技術(shù)已經(jīng)用于醫(yī)療領(lǐng)域，但通過(guò)機(jī)械設(shè)計(jì)創(chuàng)新、軟件算法和半導(dǎo)體集成，超聲波表面清洗現(xiàn)在也已經(jīng)實(shí)現(xiàn)戶外應(yīng)用。攝像頭鏡頭自清洗技術(shù)也不限于汽車行業(yè)，實(shí)際上，任何使用攝像頭的應(yīng)用都可以采用這項(xiàng)技術(shù)，包括交通監(jiān)控?cái)z像頭、內(nèi)窺鏡和機(jī)器視覺攝像機(jī)。
其他清洗方法如何?
汽車原始設(shè)備制造商已經(jīng)實(shí)驗(yàn)過(guò)小型擋風(fēng)玻璃雨刮器、壓縮空氣和旋轉(zhuǎn)鏡頭等攝像頭清洗方法。遺憾的是，這些方法太過(guò)復(fù)雜、價(jià)格昂貴且并不適用于所有場(chǎng)景。一些高端車輛具有隱藏的噴水器，用于清洗攝像頭鏡頭，這種方法需要額外的水管裝置和額外的水箱容量。但是噴水器無(wú)法除冰，并且也無(wú)法清除雨水。
超聲波鏡頭清洗系統(tǒng)可以使用機(jī)械振動(dòng)來(lái)快速產(chǎn)熱、將冰融化，然后將水清除。這類系統(tǒng)可以通過(guò)自動(dòng)感應(yīng)水滴并通過(guò)振動(dòng)將其霧化，從而持續(xù)清除鏡頭上的雨水。借助合適的算法和機(jī)械設(shè)計(jì)，這些系統(tǒng)可以清除灰塵、泥漿、甚至是附著的昆蟲。這可能聽起來(lái)復(fù)雜，但應(yīng)用特定的半導(dǎo)體能在很小的空間內(nèi)完成這項(xiàng)任務(wù)。使用特定的半導(dǎo)體，自動(dòng)超聲波鏡頭清洗系統(tǒng)可以是集成的形式，除了電源和可選的數(shù)據(jù)線外，不依靠任何其他東西。
結(jié)語(yǔ)
鑒于人們對(duì)汽車安全和可靠性的需求，我希望汽車行業(yè)采取超聲波鏡頭清洗技術(shù);由于這項(xiàng)技術(shù)的性能優(yōu)勢(shì)、運(yùn)行效率和簡(jiǎn)化的維護(hù)，面向農(nóng)業(yè)、交通攝像頭和運(yùn)動(dòng)拍攝的自動(dòng)化系統(tǒng)等其他類型的終端設(shè)備也可以采用該項(xiàng)技術(shù)。盡管超聲波鏡頭清洗跟尖叫并不相同，但這項(xiàng)技術(shù)絕對(duì)值得讓您為之興奮。
（德州儀器）
