Ultraschallmessung über große Reichweite

Hallo Forum !

Mein Anliegen ist es eine Positionsbestimmung mittels Laufzeitmessung eines Ultraschallsignals über große Reichweiten (vielleicht bis ca. 100m) durchzuführen.
Das Signal muss den Weg nur einmal zurücklegen, da die Laufzeit zwischen einem
Sender am Ausgangspunkt und einem Empfänger am Zielpunkt gemessen wird.

Im Nahbereich gilt lineare Abhängigkeit zwischen gemessener Spannung U am Empfänger
und dem Abstand r zwischen Sender und Empfänger:

U ~ p und U=S*p (1.)
mit
U: Spannung des Empfängers
S: Empfindlichkeit des Empfängers
p: Schalldruck

p/p0 = r0/r (2.)
mit
p0: Bezugsschalldruck
r0: Bezugsentfernung

somit läst sich herleiten, dass U ~ 1/r ist.

Die aufgestellten Beziehungen gelten nur für isotrophe Verhältnisse einer Punktschallquelle ohne Dämpfung.

Berücksichtigt man die Dämpfung, so ergibt sich folgende mathematische Beziehung:

p(r) = p(r0) * e^(-a*(r - r0)) (3.)
mit a als Dämpfungsfaktor.

Für mich waere zum einen einmal interessant zu erfahren, ob jemand diesbezüglich Erfahrungen hat und eine Abschätzung zur Machbarkeit des Vorhabens geben
kann. Ob es eventuell Sender gibt, die einen ausreichenden Schalldruck erzeugen
können, um z.B. 100m zu erreichen und noch mit einem Empfänger detektierbar sind.
Dazu ist anzumerken, dass mir ein Signal von ca. 40Khz vorschwebt, einzusetzen.
Vielleicht kann jemand Aussagen treffen, wie eventuelle Konstruktive Lösungen, sprich Lautsprecher, aussehen (Größe, Diemension) und welche Leistungen (evt. elektrische) man so benötigt. Vielleicht kann auch jemand Hinweise geben, ob es hinreichend genau ist, wenn
man zur Bestimmung des Senderschalldruck die Formel 3 ansetzt und als Bezugsgröße die
Empfindlichkeit des Empfängers wählt.

Gruss Matthias

[walddax]

Könnte man evtl. den Schall vom Sender durch n Rohr bündeln, damit er nicht so streut?
Dann müsste die Reichweite größer sein, oder?

[Manf]

Mit einem Spiegel ginge es sicher ganz gut.
Im Deutschen Museum hängt ein Wecker an der Decke unter einem Hohlspiegel, und man hört ihn dadurch ganz gut ticken.

http://www.fh-luh.de/physik/experimenta/fluester.html
hier ist auch noch einer

http://www.fh-luh.de/physik/experimenta/bilder/fluester_c.jpg

Wir hatten ja schon vorher kurz über das Thema gesprochen.
100m ist ein bisschen weiter als üblich, vor allem wird es dann im Freien sein mit Wind und mehr Geräusch. Unmöglich ist es sicher nicht, bei Tests in Räumen mit glatten Wänden kann man die mehrfache Reflexion über Strecken von n-facher Raumlänge leicht messen.
Manfred

[Manf]

Wenn es sich mit dem Spiegel einrichten läßt, dann verteilt sich die Leistung der Wandler ganz gut über die Spiegelfläche und eine hohe Leistungsdichte tritt nur beim Wandler selbst auf.

Die Spiegel trifft man auch immer wieder in technischen Museen und wie ich gehört habe, auch an einer Bus oder Straßenbahnhaltestelle in Hannover.

Ich finde es gerade nicht im Netz. Dort kann man sich quer über die belebte Straße mit jemandem im Flüsterton unterhalten, wenn er oder sie auch gerade am Spiegel steht.
Manfred

[cauboy]

Bei der neuen Mercedes S-Klasse wird zu Entfernungsbestimmung des Vordermanns Radar benutzt (hab ich letztens irgendwann gelesen), lässt sich das vielleicht auch bei deinem Problem verwenden?

[stochri]

Warum muss es immer Ultraschall sein ?
Wie wäre es mit hörbarem Schall ? Da kann man günstige Audioverstärker und Rockkonzertboxen verwenden. Ich denke mal so 2KW müssten für 100m reichen.
Wie weit kann man eigentlich eine Grille hören ?
Oder wie wär's mit einer Harley Davidson als Sender ? Könnte man vielleicht sogar auf 500m hören.
Und wenn jetzt jemand denkt, das wäre zu laut, was machen dann die ganzen Hunde und Katzen bei einem Ultraschallsender der auf 100m sendet ?
=P~

Gruss,
stochri

[AnonymSpam]

Hallo Forum !

Viellen Dank erst mal für die reichhaltigen Anregungen und Tips.
An Hörbare Frequenzen habe ich auch schon gedacht, aber der Robo fährt in einer
Halle und die kann in einem Wohngebiet stehen, was vielleicht etwas belästigend werden
kann, wenn da so ca. alle Sekunde ein PING gesendet wird. Gut mit Ultraschall hören es
die Menschen vielleicht nicht mehr, aber die armen Tiere wohl schon. Na ja, wenigstens verscheucht man dann ja auch das Ungeziefer aus der Halle.

Aber jetzt erst mal wieder etwas ernsthafter. Die Sache mit dem Spiegel schein einer Überlegung Wert. Erreicht man damit eine Erhöhung der abgestrahlten Intensität
(I(r) = Leistung / Fläche), was zu einer Erhöhung des Schalldrucks führt? Ich denke ja, sonst könnte man den "Wecker" nicht ticken hören - Oder ?

Die zweite Option, an die auch schon gedacht habe, ist der Einsatz von Radar. Nur müsste ich die Entfernung zu einem definierten Referenzpunkt detektieren können! Geht das ? Ich habe gelesen, dass man durch entsprechende Auswertung des Signals den Typ des Flugzeuges erkennen kann, kann man dieses Prinzip auch auf einen definierten Referenzpunkt - Eckfahne - anwenden? Wie genau könnte man messen ?

Gruss Matthias

[Rubi]

Die Spiegel trifft man auch immer wieder in technischen Museen und wie ich gehört habe, auch an einer Bus oder Straßenbahnhaltestelle in Hannover.

Gibt es so ein Teil auch in Wien ?
Schon ein faszinierendes Experiment.
Würde mich interessieren wie stark die Stimme verfälscht wird.

Diese "Spionage Parabol Mikrofone" die ich aus Neugierde getestet habe, haben nie so wirklich gut funktioniert.

LG
Rubi

Hallo,

bei großer Entfernung würde ich auch mal eine Laufzeitmessung mittels Laserpointer in Erwägung ziehen ...

Frank

[Bernhard667]

Hallo,

Ultraschall auf 100 m, das ist wirklich weit.
Habe selber schon ~12 m erreicht, wenn auch nur mit UST-40.
Um 100 m zu schaffen brauchst Du sehr viel Leistung.

Was meiner Meinung nach kaum klappen wird ist die Idee, aus dem empfangenen Pegel den Abstand zu berechnen.
Die Genauigkeit dürfte mies werden:
-Sender und Empfänger haben Richtcharakteristik. Wenn die Keulen sich gegenseitig verschieben, verändert sich der Empfangspegel stark.
Wenn schon wäre Laufzeitmessung denkbar.

Habe ich richtig verstanden, daß der Roboter sich bewegen soll in der Halle?
Dann ist auch mit Bündeln der Wellen über Reflektoren kaum was zu machen, sonst müsstest Du die Reflektoren nachführen.


Andere Frequenzen als US zu verwenden ist natürlich möglich. Allerdings muß Du zuverlässig dein Nutzsignal vom Störsignal trennen können.
Deswegen ist es günstig einen Frequenzbereich zu verwenden, der einigermaßen ruhig ist.
US Bereich ist ruhiger als der hörbare Bereich (war mein Eindruck bei meinen Versuchen).

Bernhard

[ba4_philipp]

Mein Onkel hat eine Digitalkamera mit einem aufgestecktem Blitz (von Olympus) dieser hat ein kleines Display in dem auch die Objekt Entfernung steht. So wie das Glas da vorne dran aussieht scheint das mit IR zu gehen. Obwohl ich es mal in der Halle auf ne Wand gehalten habe und das dann ein paar und 30m angezeigt hat. Wäre IR doch noch ne Möglichkeit?

Würde auch gerne ne Messung bis zumindest 50m realisieren. Sollte aber möglichst klein sein (Abstandswarner fürs Auto)

[frank-findus]

Kommt darauf an, wie wichtig das Projekt ist. Es gibt z.B. Laser-Entfernungsmesser von Leica, etwa Größe einer Zigarettenschachtel. Kostenpunkt bei Ebay um 300,. Euro. Die Dinger messen 30 ... 50 Meter auf 3..5 mm (!) genau. Etwas teurere Exemplare haben sogar eine serielle Schnittstelle ...

Frank

[ba4_philipp]

Ich weiß nicht wie genau der OP das braucht. Aber bei mir soll der mich im Auto nur dran errinnern wenn ich zu dicht auffahre. Sollte den Wert also irgendwie in meinen Controller bekommen, damit er gucken kann welcher abstand bei welchem Tempo ok ist. Dafür wäre Genauigkeit von 0,5m super und mit 1m könnte man auch gut leben

[Mephisto_neunzehn]

Als Alternative bleibt dann eine Modulation des Laserpointers mit niedrigerer Frequenz und eine Messung der Phasenverschiebung zwischen Sender und Empfänger als Maß der Entfernung. Aber welcher billig-Laserpointer hat schon einen analogen Modulationseingang?


Die Amlitudenmodulation-Modulation eines Laserpointers geht sehr einfach mit einem in die Spannungsversorgung (Batterie) eingeschleiften NF-Übertrager. Im Internet sind da z.B. zur "Sprachübertragung" ein paar Experimente beschrieben (selber suchen, habe sie mir nicht abgespeichert)

Das Thema mit Ultraschall und Parabolspiegeln ändert im übrigen absolut gar nix an der Dämpfung ZWISCHEN Sender und Empfänger (Freiraumdämpfung). Auf Sender und Empfänger Seite werden aber praktisch "Antennen mit Gewinn" eingesetzt. Wirkt nicht anders wei bei "Funksystemen" auch. Da der Gewinn eines Spiegels aber vom Verhältnis seines Durchmessers (oder besser seiner Wirkfläche) zur Wellenlänge abhängt und es im hörbaren Schall der Frequenzbereich (ca 300Hz-3KHz) schon zu recht unterschiedlichen Gewinnen kommt (je kleiner der Spiegel um so deutlicher) kommt es zu den erwähnten Verzerrungen.
Aber das Gefühl, im Brennpunkt eines Spiegels zu stehen und sich über vielleicht 50 m mit jemanden flüsternd zu unterhalten ist schon beeindruckend (z.B. auch Technikmuseum in Paris)!!!

Die Lärm-Belastung ist auch bei Spiegel am Sender innerhalb der "Sendekeule" enorm. Lediglich ausserhalb der Keule ist es leiser als bei einem entsprechend lauterem Sender mit "Rundstrahlcharakteristik".

[Manf]

Die Amlitudenmodulation-Modulation eines Laserpointers geht sehr einfach mit einem in die Spannungsversorgung (Batterie) eingeschleiften NF-Übertrager.
Kannst Du einen bestimmten NF-Übertrager zur Modulation des Lasers zur Laufzeitmessung empfehlen?
Manfred

[Mephisto19]

Schau mal bei : http://users.aol.com/gykophys/ladivor.htm#infueb unter "Informationsübertragung".

Du brauchst am besten einen 1:1 Übertrager, der den Strom abkann. Bei einem kleinen Laserpointer kann das auch ein kleiner "Print-Übertrager" 1:1 sein (wenige mA, in alten Cassetenrekordern suchen oder beim großen C bestellen)

Am besten mit dem Oszilloskop mal den Modulationsgrad anschauen und ein wenig experimentieren.

[bhm]

Dumme Zwischenfrage:
Für eine Laufzeitmessung braucht man ja 2 Zeiten: "Signal los" und "Signal angekommen"
Wie wird denn "Signal los" übermittelt?
Bei Laufzeitmessungen via Licht geht das übrigens mit einem Kabel nicht, weil die Laufzeit im Kabel _etwa_ gleichgroß ist wie in Luft.
ciao .. bernd

[Manf]

NF-Übertrager zur Modulation des Lasers zur Laufzeitmessung? ...
...in alten Cassetenrekordern suchen
Da wird man etwas länger suchen.
An welche Modulationsfrequenz hast Du denn dabei gedacht?

[Mephisto19]

Dumme Zwischenfrage:
Für eine Laufzeitmessung braucht man ja 2 Zeiten: "Signal los" und "Signal angekommen"
Wie wird denn "Signal los" übermittelt?
Bei Laufzeitmessungen via Licht geht das übrigens mit einem Kabel nicht, weil die Laufzeit im Kabel _etwa_ gleichgroß ist wie in Luft.
ciao .. bernd

Hallo bhm

"zwei Zeitpunkte" ergeben eine "Zeit" (Zeitdifferenz = Laufzeit) da hast du recht.

Beim Beitrag von H.A.R.R.Y. kam der Vorschlag, statt der Laufzeit die Phasenverschiebung eines "niederfrequenten Signals" zu verwenden, welches wiederum von einem Laser(pointer) übertragen wird.

Mein Beitrag bezog sich nur auf die Frage "wie lässt sich ein billiger Laser(pointer) einfach modulieren.

Alle Laufzeitmessungen von Wellen it Lichtgschwindigkeit brauchen natürlich die notwendige "hohe Auflösung". Und wenn Sender und Empfänger nicht am gleichen Ort sind brauchen Sie noch die notwendige "Synchronisation". GPS, nach dem gleichen pysikalischen Prinzip, übermittelt dazu codiert die "Absendeuhrzeit" und die Satelitten werden hierzu kontinuierlich mit einer Atomuhr synchronisiert.

Ich persönlich halte eine Laufzeitmessung elektromagnetischer Wellen für "sehr aufwändig" und denke kaum, dass dieses Prinzip im Hobby-Roboterbereich aktuell sinnvoll eingesetzt werden kann. Besonders wenn man die Laufzeit zu einem "passiven Reflektor" (vorausfahrendes Fahrzeug) messen möchte -> Radarprinzip. Nicht alles, was physikalisch möglich wäre lasst sich "hobbytechnisch" auf dem Basteltisch realisieren.

[Mephisto19]

@Manf
Ich habe 2 oder 3 Übertrager in der Bastelkiste liegen und die stammen aus "ausgeschlachteten" NF-Teilen - liegen abe zugegebenerweise schon länger als 10 Jahre da drin.

Ich habe bisher an "Niederfrequenz" (vielleicht bis max 10KHz) gedacht. Soweit dürften die NF-Übertrager gehen. Man könnte natürlich mit einem "normalen AM-Modulator" (wie bei IF-Dioden im Fernbedienungssender) auch höhere Frequenzen.

Ob das Meßprinzip überhaupt Sinn macht, hab ich noch nicht durchgedacht!!! Um die Entfernung zu einem vorausfahrenden Auto zu messen, macht ein Laserpointer sicherlich keinen Sinn. Und die "Phasenverschiebung" von Niederfrequenz, die sich mit 300 000 km/s ausbreitet müsste schon sehr genau bestimmt werden, um in den Bereich einer Auflösung von Metern zu kommen. Auf den ersten Blick würde ich abschätzen, "ein wenig versprechender Ansatz"

[bhm]

Beim Beitrag von H.A.R.R.Y. kam der Vorschlag, statt der Laufzeit die Phasenverschiebung eines "niederfrequenten Signals" zu verwenden, welches wiederum von einem Laser(pointer) übertragen wird.

Theoretisch machbar, aber aber auch hier brauche ich eine Referenz.
Damit das Ergebnis nicht uneindeutig wird sollte die "NF -Frequenz" in der Größenordnung 100m liegen. Das ist Kurzwelle, also nicht wirklich NF.



> ..
man die Laufzeit zu einem "passiven Reflektor" (vorausfahrendes Fahrzeug) messen möchte -> Radarprinzip. Nicht alles, was physikalisch möglich wäre lasst sich "hobbytechnisch" auf dem Basteltisch realisieren.
Sowas kann man besser kaufen. Ist auch garnicht sooo teuer.
ciao ... bernd