Ultraschallkommuniaktion im Wasser

[Tilman H.]

Hallo,
wir basteln momentan in der Schule an einem U-Boot, das ferngesteuert werden kann. Die Idee ist, eine akustische Kommunikation mit einer Enfernung von bis zu 10m zu realisieren, die auf 30m erweiterbar sein soll (Im großen Maßstab soll das System auf viel größere Entfernungen mit entsprechender Dimensionierung einsetzbar bleiben). Die Algorithmen sind DSSS zur Übertragunssicherheit und FFS zum erkennen der Frequenzen im "Rauschen", welches vom Schallwandler kommt. Wahrscheinlich muss auch ständig die Trägerfrequenz geändert werden, um Echos vorzubeugen.
Hardwaremäßig wird wahrscheinlich ein Piezo verwendet, um die Töne zu senden und zu empfangen, da die angestrebte Frequenz bei so 20-100kHz liegt. Meine Frage betrifft hauptsächlich die folgenden Bereiche:
1. Kann man solch hohe Töne über einen Piiezolautsprecher gut ausgeben? Wie weit kann man dort um die Resonanzfrequenz "herumrauschen", also die anderen Signale, die von DSSS erzeugt werden auch übertragen?
2. Wie wird es wahrscheinlich mit der Entfernung stehen?
3. Wie steuert man so einen Piezolautsprecher an und wie erfasst man die Daten auf einem Mikrocontroller möglichst genau? Ein vorheriger (am besten modularer) Bandpassfilter wäre wahrscheinlich hilfreich.
Vielen Dank im Voraus und mfG,
Tilman H.

[PICture]

Hallo!

Zwar ohne eigener Erfahrung, aber wegen unversehbaren Echos und Hindernisse würde ich keine direkte Übertragung per Wasser, sondern gleich per Funk mit 9-fach kürzerer Antenne unterm Wasser probieren. ;)

[Tilman H.]

Aber Funk hat im Wasser keine nennenswerte Ausbreitung. Moderne U-Boote verwenden zwar 100-150m lange Schleppantennen für den LF Bereich. Das kommt bei meinem Maßstab nicht in Frage.

[PICture]

Sie komunizieren aber meistens etwas weiter und die meiste Strecke per Luft geht, deshalb LW.

Möglicherweise wäre es auch hilfreich: https://www.roboternetz.de/community/threads/61533-40-MHz-Funkmodul . ;)

[Tilman H.]

Nunja, aber das hier klingt nicht so prickelnd:
http://www.vfo-magazin.de/2005/06/eindringtiefe-elektromagnetischer-wellen-in-wasser/
Desweiteren soll das U-Boot ja ferngesteuiert werden, folglich ist eine Schleppboje die IMHO einzige Möglichkeit, jedoch wird das bei 30m Tiefe ein ordentlicher Aufwand für den Motor.

[PICture]

Ich habe mich damit bisher nicht beschäftigt, also vieeel Erfolg ! :D

Das mit der Boje auf der Wasseroberfläche als "Vermittler" (wegen Hindernissen auf dem Boden), ist eine sehr gute Idee. Vielleicht muss sie nicht bewegt werden ? :confused:

Es wäre u.a. z.B. Erdmodul <- Funk -> Boje und Boje <- Schall -> U-Boot möglich.

[Tilman H.]

Vllt, aber ich strebe eher eine richtig drahtlose Kommunikation an , um möglichst mobil zu bleiben.

EDIT: Hatte dich erst falsch verstanden. Der Kontrollstationpiezo muss sowieso unter Wasser, da die Dämpfung beim Mediumwechsel sehr hoch ist.

[Tilman H.]

Beim Conrad oder Reichelt finde ich keine Piezos mit einer Resonanzfrequenz von 20kHz oä. Weißjemand andere Hops, die so etwas haben? Habe nämlich nur eines für 89.99$ gefunden, allerdings brauche ich das reine Piezoelement oder es in wasserdichter Verpackung.

[Thomas$]

http://www.uniklinik-duesseldorf.de/fileadmin/Datenpool/einrichtungen/klinik_und_poliklinik_fuer_strahlentherapie_und_ra dioonkologie_id30/dateien/ultraschall_eine_einfuhrung.pdf ganz interessant zum thema dämpfung und co
nicht wasserdicht http://www.pollin.de/shop/dt/ODQ5OTA2OTk-/HiFi_Car_HiFi_Video_TV/Mikrofone_Schallwandler/Zubehoer/Ultraschall_Infrarot_Empfaenger_VIRTUAL_INK.html
in eine richtung wasserdicht http://www.pollin.de/shop/dt/OTU0OTg0OTk-/Werkstatt/Werkzeuge/Elektrowerkzeuge/Ultraschall_Reiniger.html benötigen aber relativ hohe spannung am piezzo

[Tilman H.]

Aber ich will ja keine fertigen Module, sondern nur das piezokeramische Element.

[Thomas$]

wenn du das wirklich willst http://www.pollin.de/shop/dt/MDA5OTQ3OTk-/Bauelemente_Bauteile/Passive_Bauelemente/Spulen_Filter/Piezokerne_1577_3_2223_94.html

[Sebas]

Moin,
bei mir an der Uni bauen wir Schwarm-U-Boote, für die werden momentan auch Unterwasser-Modems entwickelt. Das ist ganz schön aufwändig und erfordert schon sehr gute Kenntnisse von Analogtechnik. Außerdem sind die Komponenten nicht ganz billig. Also viel Erfolg, aber ich würde dann doch eher auf niederfrequenzigen Funk setzen.
Viele Grüße :-)

[oberallgeier]

... basteln ... U-Boot ... ferngesteuert... Kommunikation ... bis zu 10m ... 30m ...Unterwasser ist natürlich der aktustische Weg überlegenswert nicht zu letzt wegen der hohen Schallgeschwindigkeit. Der Satz mit "... basteln ... an einem U-Boot ..." lässt ja gewisse Rückschlüsse auf die Größe des Fahrzeugs zu. Damit so ein Ding nicht verloren geht wird der Einsatz vermutlich nicht in trüben Gewässern erfolgen. Daher würde ich mal überlegen, ob nicht eine optische Datenübertragung Sinn macht. Dumm ist dabei die hohe Rotabsorption von Wasser, die gegen Verwendung der verbreiteten IR-Kommunikationsmittel spricht. Auch habe ich keine Ahnung ob Fische eher zu Dichromaten gehören oder so (da spricht die auffällig-vielfältige Farbgebung z.B. der Korallenriffbewohner eher dagegen) und wie sehr sie daher von Lichtpulsen gestört werden könnten. Der technologische Aufwand scheint mir gering, auch wenn die Akustik den vordergründigen Vorteil einer weitgehend kugelförmigen Ausbreitung bietet.

Man könnte überlegen (möglichst blaufarbene) optische Kommunikationslinien aufzubauen. Die Übertragungsgeschwindigkeit (bit/s) dürfte deutlich besser als bei der Akustik sein und die 10 m, wohl auch die 30, eine locker zu schaffende Distanz.

[Tilman H.]

Die ersten Tests werden im Schulschwimmbad passieren. Dort ist natürlich sehr klares, chlorhaltiges Wasser. Sobald dann erfolgreich eine Kamera installiert und auf Fehler getestet wurde, wäre ein Test im eher schmutzigen Seewasser denkbar (Natürlich mit Rückholleine). Von daher wäre ein optisches System eher weniger erstrebenswert. Da die Schule die Kosten wahrscheinlich größtenteils übernehmen kann, ginge ein gewisser Preisrahmen. Über dem Aufwand bin ich mir im Klaren, jedoch bin ich gerne bereit mich daran zu setzten.

[White_Fox]

Ich würde für eine Unter-Wasser-Kommunikation auch zuerst über US nachdenken.

Aber versuche den Lärmpegel möglichst niedrig zu halten. Viele Unter-Wasser-Bewohner mögen US nicht sonderlich bzw. nutzen diesen selber zur Kommunikation oder Orientierung. Oder schau mal ob es möglichst "freie Frequenzen" gibt, die außerhalb der Verwendungs/Wahrnehmungsgrenze von Unterwasserlebewesen liegen. Das hätte auch den Vorteil, dass deine eigene Kommunikation weniger störanfällig wäre.

[Crazy Harry]

Nimm doch einen Geber von einem Fishfinder. Ich hab so ein Teil, das geht bis 180m Wassertiefe und hat eine Impulsleistung von 4 kW.

[Sebas]

So eins hatten wir ausprobiert um selber die Tiefe zu bestimmen, die Teile haben ein Ziemliches Rauschen...
Wenn man da nur begrenzt Zeit für hat ist das eher ein Krückstock, gute Kommunikation halte ich daher für schwierig

[Wsk8]

Also ganz ehrlich, ich würde einfach normalen Funk nehmen. Frequenz so niedrig wie möglich. Damit sollten schon mehrere Dutzend Meter Reichweite möglich sein. Sprechfunk bei Tauchern ist glaube ich ganz normales UKW und da funktionierts auch ganz gut.

Signalübertragung wird an Unis gelehrt und selbst da normal nur im Medium Luft ohne die ganzen Schwierigkeiten im Wasser. Als Schulprojekt halte ich das für völlig oversized. Allein die Frage, wie man ein Piezoelement ansteuert, zeigt dass du dich überhaupt noch nicht in die Thematik eingearbeitet hast. Hast du bis jetzt überhaupt 1 Googlesuche durchgeführt?? Zu Funk unter Wasser findet sich ziemlich viel.
Und was willst du in 30m Tiefe? Selbst Modellbauer tauchen ihre Dinger nicht so tief und die wissen was die da bauen.

mfg

[Tilman H.]

Die Ansteuerung eines Piezoelements war nach ein bischen Recherche klar, ich habe jedoch mehr erwartet.
Das ganze findet im Rahmen von Jugend Forscht statt, ich will folglich etwas ausprobieren (Nein, ich möchte keine Projektvorschläge ;) ). Weiß jemand, womit man Ultraschall gut erzeugen kann? Ich finde nämlich nur 0,40€ 6,4kHz Teile oder dann die zwar 20kHz Teile, jedoch fertig im Gehäuse und mit Ansteuerung für dann 90€.

[White_Fox]

Schau doch mal bei Reichelt..."Ultraschall" in die Suchmaske eingeben kannst du wohl selber.

Ansonsten Pollin, Bürklin, Farnell...

[WL]

Ich würde es mit so was .....

http://de.wikipedia.org/wiki/Ultraschallreinigungsger%C3%A4t

... (vom Wertstoffhof ?) versuchen.

[Tilman H.]

Schau doch mal bei Reichelt..."Ultraschall" in die Suchmaske eingeben kannst du wohl selber.

Ansonsten Pollin, Bürklin, Farnell...
Habe ich gemacht, sonst würde ich nicht fragen. Habe bisher nur das Piezoelement bei NH Tecbnologies gefunden, Resonanzfrequenz 20kHz. Jedoch ist das ein Großhersteller, muss ich mal gucken was sich machen lässt.

[White_Fox]

Habe ich gemacht
Glaub ich dir nicht.

http://www.reichelt.de/Robotik/YETI-YT-ULT3/3/index.html?&ACTION=3&LA=446&ARTICLE=67330&GROUPID=5728&artnr=YETI+YT-ULT3&SEARCH=ultraschall
http://www.reichelt.de/Sensoren/MUS-40E/3/index.html?&ACTION=3&LA=446&ARTICLE=112244&GROUPID=3190&artnr=MUS-40E&SEARCH=ultraschall
http://www.reichelt.de/Sensoren/MUS-40S/3/index.html?&ACTION=3&LA=446&ARTICLE=112245&GROUPID=3190&artnr=MUS-40S&SEARCH=ultraschall
http://www.reichelt.de/Sensoren/UST-40T/3/index.html?&ACTION=3&LA=446&ARTICLE=22188&GROUPID=3190&artnr=UST-40T&SEARCH=ultraschall
http://www.reichelt.de/Sensoren/UST-40R/3/index.html?&ACTION=3&LA=446&ARTICLE=22187&GROUPID=3190&artnr=UST-40R&SEARCH=ultraschall

[Tilman H.]

Sry, aber ich habe echt geguckt. Trotzdem danke.

[RoboHolIC]

Glaub ich dir nicht.

http://www.reichelt.de/Robotik/YETI-YT-ULT3/3/index.html?&ACTION=3&LA=446&ARTICLE=67330&GROUPID=5728&artnr=YETI+YT-ULT3&SEARCH=ultraschall
http://www.reichelt.de/Sensoren/MUS-40E/3/index.html?&ACTION=3&LA=446&ARTICLE=112244&GROUPID=3190&artnr=MUS-40E&SEARCH=ultraschall
http://www.reichelt.de/Sensoren/MUS-40S/3/index.html?&ACTION=3&LA=446&ARTICLE=112245&GROUPID=3190&artnr=MUS-40S&SEARCH=ultraschall
http://www.reichelt.de/Sensoren/UST-40T/3/index.html?&ACTION=3&LA=446&ARTICLE=22188&GROUPID=3190&artnr=UST-40T&SEARCH=ultraschall
http://www.reichelt.de/Sensoren/UST-40R/3/index.html?&ACTION=3&LA=446&ARTICLE=22187&GROUPID=3190&artnr=UST-40R&SEARCH=ultraschall

Was willst du Tilman H. damit beweisen? Keiner der Links wird ihm weiterhelfen! Alle Teile sind für das Medium Luft ausgelegt und nicht wasserdicht.

[Tilman H.]

Vllt kann man jedoch dieses Piezoelement ausbauen. Hat mal jemand von euch so ein Ding aufgemacht.

[White_Fox]

@RoboHolIC:
Beweisen will ich damit gar nichts.
Dass die Teile für Luft ausgelegt sind ist klar. Aber wenn ich überlege das Tilman die Sensoren komplett selberbauen will sollte die Wasserdichtheit wohl eher das geringste Problem sein.
US-Sensoren mit einem wasserdichten Gehäuse und akzeptabler Schallankopplung zu versehen sollte wohl machbar sein. Das ist allemal besser als Sensoren mit Piezokernen von Grund auf selber bauen zu wollen.

[Tilman H.]

Das größte Problem welches ich bei den US Sensoren vermute ist, dass die meisten von denen nicht sehr viel mehr als 1 bar aushalten. Deswegen war die Idee, die an die Außenwand zu kleben und selber mit einem aufgeklebten Metallplätchen oder so abzudichten.

[RoboHolIC]

US-Sensoren mit einem wasserdichten Gehäuse und akzeptabler Schallankopplung zu versehen sollte wohl machbar sein. Das ist allemal besser als Sensoren mit Piezokernen von Grund auf selber bauen zu wollen.

Genau da bin ich mir nicht so sicher, denn:
Ich hatte ein kleinwenig geschmökert in einem Papier von Murata, das war -wenn ich mich recht erinnere- das gemeinsame Datenblatt zu allen bei Reichelt gelisteten Murata-US-Bauteilen. Ein grundsätzlicher Unterschied war alleine schon die Funktionsweise des Piezos: Für Anwendungen in Luft werden Biegeschwinger (Kraftuntersetzung !) verwendet, für das Medium Wasser dagegen machen sich Dickenschwinger besser; ich denke das hängt mit der ungleich höheren Dichte von Wasser zusammen oder eben mit der druckstabilen Einhausung. Beide Male muss der Piezo sehr viel mehr "Bums" haben als für Luft, also viel Kraft (bei wenig Weg), um sich Gehör zu verschaffen - sagt mir zumindest mein Bauchgefühl. Schallausbreitung und Richtwirkung sind auch noch ein Thema.

@Tilman H.:
Mach doch einfach Versuche! Organisiere dir ein Wasserbecken, evtl. ein ausgemustertes Aquarium (die werden in den Anzeigeblättern wie sauer Bier angeboten), teste verschiedenes und mache Erfahrungen, um ein Gefühl für die Materie zu kriegen. Passiviere Piezo-Chips aus einem Piepsern, Ohrhörern, US-Kapseln (auch Öl-gefüllt mit Deckfolie) etc. mit Lack, Silikon, Heißkleber ... und spiele damit: Impulse aussenden und sehen, ob man ordentliche Empfängersignale herkriegt ... Das geht in die von Dir beschriebene Richtung "Außenbord-Wandler".

[White_Fox]

Ich muß zugeben, den dichteunterschied von Wasser und Luft hab ich gar nicht bedacht.
Da Wasser als "festes" Medium Schall viel besser leitet als ein Gas hab ich darüber auch gar nicht viel nachgedacht.
Irgendwie klingt das auch logisch was du schreibst.

Andererseits denke ich gerade daran, wie gut man z.B. ein vibrierendes Handy hört wenn es frei im Raum "hängt" oder auf einer Tischplatte liegt. Die Unterschiede sind beträchtlich, ich kann aber schwer einschätzen wieviel mehr Schwingungsenergie dem Telefon jeweils entzogen wird.

@Tilman:
Den gleichen Rat kann ich dir auch nur noch mitgeben. Ausprobieren...das ist das Beste, was du tun kannst.
Ausprobieren ist der Weg einer jeden Neuentwicklung. Natürlich machen sich Ingenieure vorher viele Gedanken und simulieren und berechnen...aber dennoch ist der praktische Versuch durch nichts vollwertig zu ersetzen. Und gerade wenn es um sowas wie Jugend forscht geht, ist ein Versuch der beste Weg, um zu lernen.

[Tilman H.]

Damit werde ich demnächst anfangen.

[Arthipex]

Hallo zusammen!

Ich werde nächstens versuchen, ein Sonarsystem für die Unterwassernavigation zu bauen. Aufgebaut soll das ganze aus einem via Servo ausrichtbaren US-Sender und drei US-Empfängern werden.
Gibt es schon Ergebnisse von den Bauteilen von Reichelt?

[nikolaus10]

Hallo

Willst du den US Sensor unter wasser drehen?

KR

[Thomas$]

im zweifel gleich die wasserfesten com connrad http://www.conrad.de/ce/de/product/182271/Ultraschall-Sensor-K-14WP10-K-14WP10-Wasserdicht-IP64-40-kHz-x-H-256-mm-x-225-mm

[Arthipex]

Modell U-Boote bestehen meist aus einem Druckkörper und dem darumliegenden Rumpf mit Rudern usw.
Die Idee ist, den Sender im Druckkörper selbst zu installieren, in der Hoffnung, dass die Akkustischen Signale durch das PVC des Druckkörpers ins Wasser dringen. Und wenn nicht, baue ich sie Wasserdicht und verbaue sie in den Druckkörper.