Suche Ersatzschaltbild für Ultraschallwandler

[Manf]

@Manfred
Bei den ersten 3 Bildern blicke ich noch nicht ganz durch. Was hat sich am Aufbau geändert, weil die Phase im 1. Bild ansteigt, im 2.Bild abfällt und im 3.Bild nur etwas schwankt?

Mit Erstaunen stelle ich fest, dass bereits bei 37kHz schon ordentliche Messungen möglich sind.

Ich dachte die Aufgabe könnte von allgemeinem Interesse sein und ich habe sie mal ins Quizforum gestellt.
Eine Erläuterung sollte ich deshalb auch dort geben.
Manfred

https://www.roboternetz.de/phpBB2/ze...ag.php?t=16515

[waste]

Ja, jetzt ist mir auch einiges klarer, nachdem ich weiss, dass der Sender zw. den beiden Empfängern ist.
Waste

[H.A.R.R.Y.]

Nach einem zerschlissenen Bleistift und einem Stapel Altpapier gebe ich die Rechnung auf. Es ist mir nicht gelungen die mathematischen Abhängigkeiten auf handliche (einfache) Gleichungen zu reduzieren. Die GLeichungsmonster die dabei herauskommen lassen sich nicht mal eben nach einer Größe umstellen. Das ist mir alles zu komplex

Eines habe ich immerhin "entdeckt", aber das sieht man auch in der Ortskurve:
Die Frequenzen fp und fs liegen bei etwa dem halben Winkel von fm und fn. Also kann man sie im Bode-Plot anhand des Phasenganges einpeilen. Es ergeben sich recht gute Werte für das ESB wenn man zuerst die Winkel von Minimum und Maximum abliest, diese durch zwei teilt und dann die zum jeweiligen sich ergebenden Phasenwinkel gehörigen Impedanzen und Frequenzen abliest. Dann hat man schon recht gut die Werte für fs und fp und kann die Elemente vom ESB errechnen. Für die Praxis sollte das (wegen der Ablesefehler) bereits genau genug sein.

Zum Empfangswandler:
================
Der Empfangswandler unterscheidet sich vom Sendewandler noch etwas. Das ESB ist das gleiche und die Methode zum ermitteln der ESB-Elemente aus dem Bode-Plot bleibt. Wenn man die Umwandlung der akustischen Energie in elektrische Energie durch eine (ideale) Spannungsquelle in den RLCs-Kreis aufnimmt, ergibt sich eine bestimmte Frequenz, bei der die abgegebene Signalleistung (egal ob Strom oder Spannung) maximal wird. Mal sehen, ob ich wenigstens die analytisch herausbekomme (und ob sie mit fp identisch ist). Insgesamt ist es ein Bandpaßverhalten.

Außerdem ergibt sich zwischen empfangener Signalsspannung (an der Spg.quelle) und an den Klemmen meßbarer Signalspannung ein Phasenunterschied. Dieser ist abhängig von der Schallfrequenz und vom zusätzlichen externen Lastwiderstand parallel zu Cp. Dieser Nullphasenwinkel fällt für R-Last=0 auf die Frequenz fs (jawohl die Serienresonanzfrequenz) und sinkt mit zunehmendem Lastwiderstand in Richtung f=0 Für einen konstanten Lastwiderstand größer Null ist der Phasenwinkel zwischen Schalldruck und elektrischer Spannung niemals Null und er ist generell abhängig von der Frequenz.

@waste:
Die Ortskurve ist toll und beschreibt zeimlich genau das, was ich bei meinen mathematischen Versuchen herausbekommen habe. Genau in der Reihenfolge. Leider habe ich sie erst heute gesehen.

[waste]

Die Frequenzen fp und fs liegen bei etwa dem halben Winkel von fm und fn.

Noch etwas genauer gesagt bei arctan(tan(Winkel von fm und fn)/2).

Waste

[H.A.R.R.Y.]

Der Vorschlag von waste eine Ortskurve herzunehmen und das Ganze grafisch zu erledigen, ist hier deutlich überlegen. Dank Eurer Mithilfe und Angaben ist es mir mittlerweile auch gelungen ein ESB aus den Datenblatt-Angaben zu rekonstruieren und mit der Ortskurve eine notwendige Anpaßschaltung (Resonanztransformation) zu dimensionieren.

Praktisch konnte ich es noch nicht testen, dafür würde ich nämlich gerne mal den Impedanzgang (Betrag UND Phase) von einem meiner Wandler ausmessen und daraus alle notwendigen Daten ableiten. Dummerweise habe ich keinen Generator (okay, das ließe sich basteln) und kein Phasenmeter (wie baue ich so was?), also muß das noch warten bzw. ich dimensioniere erstmal nach den typ. Angaben vom Datenblatt. Zumindest in der Simulation funktioniert das schonmal wie erwartet.

Die Theorie und die Simulationen bestätigen auch meine Vermutung mit der besten Empfangsfrequenz: Sie liegt bei fp.

Also zusammengefasst:
Ablesen des Phasenwinkels von Zmin oder Zmax aus dem Bode-Plot (beide Winkel sollten gleich sein). Ermitteln der fp, Zp und fs, Zs anhand wastes Formel:
Winkel (fs) = Winkel (fp) = arctan(tan(Winkel von fm bzw. fn)/2)
und möglichst genauem ablesen. Danach ausrechnen der ESB-Elemente wie weiter oben beschrieben. Das Feintuning macht man dann über die Korrektur des unbekannten Cg (laut Datenblatt 1,9nF bis 2,9nF). Stimmt der ermittelte Bode-Plot (Excel macht das vorzüglich) nun mit dem Original überein, dann kann die Ortskurve erstellt werden (macht Excel nach einigem guten Zureden auch ganz brav). Die nötigen Anpaß-Transformationen macht man dann grafisch in der Ortskurve anhand der Regeln für Kreisdiagramme. Hat man einen bestimmten Wandler vermessen, dann kann man Cg natürlich auch ermitteln (bei etwa 1kHz, bloß die Meßfrequenz nicht zu hoch drehen!).

An dieser Stelle mal ein dickes DANKESCHÖN an alle Beteiligten für die Mühe und die teilweise recht erstaunlichen Ergebnisse. Wenn ich vorher geahnt hätte, wie viel Aufwand diese Frage nach sich gezogen hat, wer weiß ob ich sie gestellt hätte. Insbesondere der Abstecher in die mir mehr aus HF-Sicht vertrauten Ortskurven war für mich überraschend, aber lehrreich.

[Manf]

Ich finde es auch sehr schön wenn Ideen und Ergebnisse zusammengetragen werden und ich freue mich auch sehr über die Zusammenarbeit an dem sehr interessanten Thema. Umso mehr wäre es schade, die Untersuchung des Wandlers schon zu beenden.

Vielleicht sprengt die Anwendung der Phasenmessung aber doch den Rahmen des Threads und ich machen für die Anwendung einen neuen auf.

Eine erste Messkurve mit Phase oben und Amplitude unten habe ich schon einmal aufgenommen. ca. 35-41kHz, Messzeit 10 sec.
Manfred

[catweazlex]

Vielleicht hilft das folgende Dokument aus der Uni KA weiter :

http://www.home.hs-karlsruhe.de/~ker...ezo/piezo4.pdf

viel Erfolg
catweazle

[Rubi]

Dieser Thread hat meine Neugierde gewckt,

Ich habe mir am Wochenende einen VNA gebaut.
http://www.qsl.net/iw3hev/Antenna%20...%20MHz-Eng.htm

Ich bin mir nicht sicher ob der DDS so tiefe Frequenzen kann aber
wenn , werde ich ihn an so einem US Modul probieren.

LG
Michael

[toju80]

Hallo zusammen,

diesen Thread finde ich sehr spannend. Ist zwar schon n bissel her aber evtl kann man ihn ja noch mal erweitern/diskutieren.
Sind die ESB echt korrekt?
Hab beim Auslegen meines Verstärkers das Problem, dass dieser öfters auf etwa 250kHz schwingt. Hat jemand ähnlich Erfahrung?
Wollte das ESB nutzen um den Verstärker entsprechen zu dimensionieren…

Jetzt schon vielen Dank für Eure Hilfe.
MfG

[idna]

Hallo,

also ich bin noch ein wenig neu hier...
jedoch hätte ich mal eine frage,
in diesem thread postet ihr, dass der verlauf der phase von einem us_receiver aussieht wie eine glockenkurve und in einem thread weiter...
https://www.roboternetz.de/phpBB2/ze...ag.php?t=16515
sieht die sache schon wieder anders aus...
ich hab mal das ersatzschaltbild in matlab versucht nach zu bilden...
also mit der glockenkurve (phase) stimme ich überein!

ich hätte da noch eine frage, wie kann ich denn die genauen werte von R L Cs und Cp messen?
oder um es zu vereinfachen wenn ich das ESB als
RLC reihenschwingkreis auffasse?(was ja zur vereinfachung geht!)
hab das versucht so zu messen!
Funktionsgenerator zwischen 30kHz und 50kHz betreiben, also immer für eine messung stationär, an den den us_rec dann ein widerstand und wieder zurück zum funktionsgenerator!
das hat den folgenden grund!
spannungsmessung mit dem oszi über den Us_rec und spannungsmessung über den zusätzlichen R (womit ich den Strom messen kann/ is ja nur ein faktor von R).dann kann die phase bestimmt werden (Spannung zu Strom) aus der die bauteile R L und C! jetzt ist es aber so, dass sich bei einer veränderung der frequenz mittels funktionsgenerator keine änderung der phase einstellt....bzw. ich auch nix bemerke, wenn ich bei der Frequenz 40kHz vorbei komme...was ja die resonanzfrequenz darstellt.
ich verwende einen 400ST/R160! also standard!
könnt ihr mir bitte helfen?

danke idna