Wie genau kann man mit Ultraschallwandlern Entfernungen messen?
Eine ausgesendete Welle ist, pro 40kHz Periode, 8,5 mm lang. Bei der Laufzeitmessung mit einer Auflösung von einer Wellenlänge könnte man (wegen Hin- und Rückweg) den Abstand auf 4,25 mm genau messen.
Hierbei ist vom Fehler der temperaturabhängigen Schallgeschwindigkeit zunächst einmal abgesehen. Den Fehler kann man falls nötig durch Temperaturmessung recht klein halten. Fehler erhält man auch durch Luftbewegung, aber bei 340m/s Schallgeschwindigkeit bleiben Fehler bei Windgeschwindigkeiten bis 3,4m/s nicht nur unterhalb des Prozentbereichs, bei konstanter Geschwindigkeit während hin und Rückweg wird der Fehler deutlich weiter reduziert. Erstaunlicherweise ist dagegen die Messung des Gasdurchsatzes in Pipelines mit Schallwellen das präziseste Meßverfahren.

Zurück zur Entfernugsmessung: Man verwendet als Impuls nicht nur eine Welle sondern einen Burst von mehreren (oft 16) Wellenlängen. Bei der Ansteuerung des Senders schwingt dieser an und erzeugt über den Verlauf des Impulses immer größere Schallamplituden. Der Empfänger ist ebenfalls ein elastisches schwingungsfähiges Gebilde mit schwacher Ankoppelung und Dämpfung das beim Eintreffen des Echo-Bursts anschwingt und bei längerer Burst- Dauer eine bestimmte Amplitude erreicht.
Dieses System aus Sender, Empfänger und Koppelung ist mit seinen beiden schwach gekppelten Schwingkreisen recht kompliziert zu berechnen weil viele Parameter unbekannt sind, aber es ist durch eine einfache Messung erstaunlich prägnant zu charakterisieren.
Hierzu gibt man (periodisch) einen duerhaften Burst auf den Sender, sodaß dieser sicher seine Maximalamplitude erreicht. Man mißt am Empfänger nach welcher Zeit auch er seine Maximalamplitude erreicht. Die Zeit ist bei gleichen Systemen etwa 1,4 mal so groß. Die bewertete Amplitude ist sinnvollerweise 70% (oder 90%) der tatsächlichen Maximalamplitude, da es sich um einen Einschwingvorgang handelt.

Die Messung klingt vielleicht komplizierter als sie ist, denn der Sender wird mit Recheck- Signal gespeist, Oberwellen werden kaum ausgestrahlt, und das Empfängersignal kann auf kurze Entfernung 2-10cm ohne Verstärker mit einen Oszilloskop aufgenommen werden. Das Einschwingverhalten ist bei dem linearen System vom Abstand und von der Amplitude unabhängig.

Es sind dann wohl etwa 8 Perioden des Signals bis zum Erreichen des Maximums. Wichtig ist nun, daß ein längerer Impuls nicht mehr zur Erkennung beitragen kann und desahalb die Unsicherheit der Erkennung vom Beginn des Echosignals bis zum Ende 8 Perioden oder 8 x 4,25 mm beträgt. Starke Signale werden zu Beginn des Echos erkannt, schwache gegen Ende. Der Bereich von 34mm ist theoretisch, 50% der Sginale liegen im Bereich der mittleren 5-10mm.

Man begeht nun noch einen gewissen systematischen Fehler, wenn man außer acht läßt, daß Echos von entfernten Hindernissen schwächer zurückkommen als die aus der Nähe. Hier hilft eine entfernugsabhängige Verstärkungsregelung (Steuerung) des Empängers, die ja einfach über die Laufzeit ab Aussenden des Impulses erfolgt. Sie hilft auch bei der Ausnutzung des Dynamikbereichs des Empfängers. Starke Echos können übersteuern, schwache können mit mehr Verstärkung noch erkannt werden. Die Anpassung an die erwartete Empfngsamplitude, einfach über die Laufzeit, verbessert das Verhalten und läßt sich noch recht einfach realisieren.

Die nächste Stufe ist eine “matched Filterung“ des Empfangssignals und die übernächste der Einsatz von Chrip- Funktionen zur Steigerung der Entfernungsauflösung in den Bereich einer Wellenlänge.

Hat man es mit einem einzelnen Echo zu tun, was sich durch eine Burst-Messung mit gesamter Auswertung des Echo-Signals feststellen läßt, dann kann man zwischen Meßkopf und Hindernis eine stehende Welle erzeugen und eine Phasenmessung durchführen, die in der Auflösung bis auf einige Prozent der Wellenlänge gesteigert werden kann. Im Millimeterbereich auf längere Entfernungen treten dann die oben genannten anderen Fehler stärker in Erscheinung.

Manfred