什么是超聲波鏡頭清洗技術(shù)?

您可能聽說過高音尖叫可以震碎玻璃，那么是否聽說過尖叫可以清洗玻璃？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。但是噴水器無法除冰，并且也無法清除雨水。

超聲波鏡頭清洗系統(tǒng)可以使用機(jī)械振動(dòng)來快速產(chǎn)熱、將冰融化，然后將水清除。這類系統(tǒng)可以通過自動(dòng)感應(yīng)水滴并通過振動(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

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。