Расчеты ультразвуковых волн

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Целью проекта является разработка надежного и недорогого устройства, которое будет помощником водителю при парковке задним ходом. парктроник датчик ультразвук

В ходе выполнения работы мы изучим методы измерения расстояний с помощью ультразвука.

Принцип действия ультразвуковых датчиков расстояния основан на излучении импульсов ультразвука и измерении времени за которое звуковой импульс, отразившись от объекта измерения, вернется обратно в датчик.

Благодаря тому, что пьезоэлектрический преобразователь может служить как излучателем, так и приемником ультразвуковых импульсов, появляется возможность создать ультразвуковые датчики расстояния с одним преобразователем. Такой преобразователь сначала излучает короткий ультразвуковой импульс. Одновременно с этим, в датчике запускается внутренний таймер. Когда отраженный от объекта ультразвуковой импульс вернется обратно в датчик, таймер останавливается. Время, прошедшее между моментом излучения импульса и моментом, когда отраженный импульс вернулся в датчик, служит основой для вычисления расстояния до объекта. Полный контроль над процессом измерения производится с помощью микропроцессора, обеспечивающего высокую линейность измерений. Ультразвуковые датчики служат для возможности измерять расстояния до таких сложных объектов как: сыпучие вещества, жидкости, гранулы, прозрачные или сильно отражающие поверхности и других объектов. В дополнение ультразвуковыми датчиками можно измерять сравнительно большие расстояния, при этом, сохраняя их небольшие размеры, что является их преимуществом по сравнению с другими средствами измерения.



1. Обзор устройства парктроника

Эта зона имеет протяженность до двух метров, и в ней могут оказаться люди или животные, а также предметы, представляющие собой помеху для движения. Достижения современной техники позволяют создавать специальные устройства для обзора указанного пространства и информирования водителя в случае, если на пути автомобиля встречаются какие-либо объекты. Наиболее оптимально такая задача решается с помощью импульсной акустической локации.

Парковочный радар, также известный как, Акустическая Парковочная Система (АПС), парктроник или Ультразвуковой датчик парковки -- вспомогательная парковочная система, устанавливаемая на некоторых автомобилях. Слово радар в названии является, строго говоря, некорректным, так как устройство использует не радио, а звуковые волны. Таким образом, корректно называть подобные устройства не радарами, а сонарами.

Система использует ультразвуковые датчики, врезанные в переднем и заднем бамперах для измерения дистанции к ближайшим объектам. Система издаёт прерывистый предупреждающий звук (и, в некоторых вариантах исполнения, отображает информацию о дистанции на ЖК-дисплее, встроенном в приборную панель, в зеркало заднего вида и т. п.) для индикации того, как далеко находится машина от препятствия.

Когда расстояние до препятствия сокращается, предупреждающий сигнал увеличивает частоту. Первые звуки он издаёт при приближении к препятствию на 1-2 метра, а при опасном сближении с препятствием (10-40 см, в зависимости от модели) звуковой сигнал становится непрерывным. В некоторых моделях система может быть отключена, например, для использования на бездорожье. Как правило, система автоматически включается вместе с задней передачей (например, электропитание может подаваться от цепи фонаря заднего хода).

Существует множество разновидностей парковочных систем, различающихся, в основном, количеством и расположением ультразвуковых датчиков-излучателей. Самые простые системы используют два датчика, устанавливаемые на задний бампер автомобиля. Система активируется при включении водителем передачи заднего хода. Наиболее распространены аналогичные системы использующие 4 датчика, расположенные на заднем бампере на расстоянии 30-40 см друг от друга. Такое расположение датчиков позволяет исключить появление «мёртвых зон». В более сложных системах 2 или 4 датчика устанавливаются на передний бампер. Система предупреждает о приближении к препятствию при нажатии на педаль тормоза. Исключительные системы могут использовать большее количество датчиков, а также датчики, расположенные по бокам автомобиля.

Как правило, блок индикации и блок управления соединяются при помощи провода проложенного вдоль кузова автомобиля, но существуют и беспроводные системы, которые отличаются от остальных удобством при установке. Принцип работы подобной системы заключается в беспроводной передаче радиосигнала с блока управления на блок индикации.

1.1 Принцип действия

В состав системы входят:

1. электронный блок

2. ультразвуковые датчики-излучатели

3. устройства индикации (ЖК-дисплей) и звукового оповещения (зуммер)

Система работает по принципу эхолота. Датчик-излучатель генерирует ультразвуковой (порядка 40 кГц) импульс и затем воспринимает отражённый окружающими объектами сигнал. Электронный блок измеряет время, прошедшее между излучением и приёмом отражённого сигнала, и, принимая скорость звука в воздухе за константу, вычисляет расстояние до объекта. Таким образом поочерёдно опрашиваются несколько датчиков и на основании полученных сведений выводится информация на устройство индикации и, при необходимости, подаются предупреждающие сигналы с использованием устройства звукового оповещения.

Хотя система призвана помогать автолюбителю, полностью полагаться на неё нельзя. Независимо от наличия системы, водитель обязан визуально проверять отсутствие каких-либо препятствий перед началом движения в любом направлении. Некоторые объекты не могут быть обнаружены парковочным радаром в силу физических принципов работы, а некоторые -- могут вызвать ложные срабатывания системы.

Парковочный радар может выдавать ложные сигналы в следующих случаях:

1. Наличие льда, снега или других загрязнений на датчике.

2. Нахождение на дороге с неровной поверхностью, грунтовым покрытием, с уклоном.

3. Движение по пересеченной местности.

4. Наличие источников повышенного шума в пределах радиуса действия датчика.

5. Работа в условиях сильного дождя или снегопада.

6. Работа радиопередающих устройств в пределах радиуса действия датчика.

7. Буксирование прицепа.

8. Парковка в стесненных условиях (эффект эха).

Система может не среагировать на следующие предметы:

1. Острые или тонкие предметы, например, цепи, тросы, тонкие столбики.

2. Предметы, поглощающие ультразвуковое излучение (одежда, пористые материалы, снег).

3. Предметы высотой менее 1 метра.

4. Объекты, отражающие звук в сторону от датчиков.

5. Система не может обнаружить провалы в асфальте, открытые колодцы, разбросанные мелкие острые предметы и прочие опасные объекты, находящиеся вне поля зрения датчиков.

1.2 Основные элементы парктроника

Самым главным устройством является электронный блок. Он отвечает за всю работу парктроника, и он управляет работой всех систем парковочного устройства. На многих современных устройствах, он начинает работать при включении задней передачи. Также, в задачу электронного блока входит предупреждения о возможной неисправности парктроника. Если случиться такая ситуация, то он незамедлительно подаст соответствующий сигнал водителю.

Рис. 1.2.1 - Схема парктроника с восемью датчиками и экраном на жидких кристаллах: 1 -- электронный блок; 2 -- датчики; 3 -- звуковой сигнал; 4 -- экран.

За обнаружением препятствий следят датчики. Они устанавливаются на заднем или переднем бампере автомобиля и принцип их работы основан на ультразвуковых волнах. Они постоянно излучают волны, и когда в зону их действия попадет посторонний предмет или препятствие, то они подают сигнал на электронный блок. Тот, в свою очередь, рассчитывая по длине волны расстояние до препятствия, и сообщает об этом водителю.

В зависимости от самой конструкции парктроника, он может обладать разных числом датчиков. Их количество может составлять от двух до восьми штук. Тут все предельно просто, чем больше количество датчиков, тем больше точность парктроника.

Два датчика. Парктроники с двумя датчиками обнаружения препятствия являются самыми дешевыми, а значит, доступны для любого автолюбителя. Недостаток всего лишь один - из-за малого количества датчиков, могут образовываться так называемые "мертвые зоны". Эти датчики могут просто не увидеть некоторые предметы малой толщины, которые не находятся в зоне действия датчиков. Пример данного случая показан на рисунке ниже.

Рис. 1.2.2. - Парктроник с двумя датчиками может не обнаружить вертикальный столбик (а), находящийся в “мертвой зоне”.

Три или четыре датчика. Парктроник с данным количеством датчиков является самым оптимальным по соотношению цена-качество. При наличии четырех датчиков обнаружения препятствия исключается образование "мертвой зоны". Количество датчиков в данном случае (три или четыре) зависит лишь от конструктивных особенностей автомобиля. Из-за этого, парктроник с четырьмя (тремя) датчиками является самым распространенным .

Шесть датчиков. При установке парктроника с шесть датчиками обнаружения препятствий, четыре - устанавливают на задний бампер автомобиля, а два других - на передний. В итоге, парктроник опознает препятствия не только сзади автомобиля, но и спереди. А это означает меньший риск повредить ваш автомобиль. Также, некоторые типы парктроников с шестью датчиками обладают переключателем, при включении которого в нужное положение, активируется система обнаружения препятствий либо только спереди, либо только сзади. Пример такого парктроника показан ниже:

Рис. 1.2.3. - Парктроник с 6 датчиками

Восемь датчиков. Принцип тот же самый, что и у системы с шестью датчиками, только тут четыре датчика устанавливаются спереди. Парктроник с восьмью датчиками является самым дорогим, и в тоже время самым надежным в обнаружении препятствий. Но есть небольшая особенность. Чтобы не отвлекать водителя при движении вперед, парковочное устройство активизируется лишь при нажатии на педаль тормоза. При этом он сообщает о препятствии только при его обнаружении. Это сделано тоже, чтобы не отвлекать водителя. Также, система после нескольких секунд после начала движения самостоятельно отключается. Этот промежуток времени может варьироваться от 15 до 20 секунд. Некоторые парктроники с восьмью датчиками обладают специальным включателем, который включает систему обнаружения препятствий лишь при нажатии водителей на специальную кнопку. В народе парктроник с датчиками на переднем и заднем бампере получил название "парктроник по кругу".

Cветовые индикаторы для парктроников

1. Светодиоды, которые меняют цвет в зависимости от расстояния до препятствия. Например, зеленый цвет светодиода означает, что до препятствия еще большое расстояние, или его вовсе не обнаружено. Оранжевый сигнал - опасность уже близка, а красный - уже в непосредственной близости, дальше двигаться очень опасно.

2. Шкала с делениями. Чем больше горит количество делений, тем ближе опасное препятствие. Также вместо шкалы может присутствовать цифровой индикатор. Но главная их особенность - это наличие двух шкал, одна из которых сигнализирует о препятствие справа, а другая слева. Это намного облегчает процесс парковки и помогает обнаружить с какой стороны находиться опасность.

Рис. 1.2.4. - Парковка автомобиля с помощью ультразвукового локатора

3. Жидкокристаллический экран. Им оснащаются только самые передовые модели парктроников, так как экран повышает общую стоимость всего комплекта парктроника. Наиболее популярными среди автолюбителей является парктроник с камерой заднего вида.

4.Парктроник с проекцией на лобовое стекло. Тут расстояние до препятствия выводиться прямо на лобовое стекло автомобиля. Это намного удобнее традиционного парктроника, т.к. не отвлекает водителя от дороги, ведь вся информация находиться перед его глазами. Также, на лобовое стекло машины может выводиться текущая скорость. Но парктроник с проекцией на лобовое стекло является не дешевым, да и многим автолюбителям он может просто не понравиться.



2. Обзор аналогичных устройств для парковки

2.1 Механические

Первые попытки облегчить для людей процесс парковки автомобиля заботливые американцы стали предпринимать еще полвека назад. В 50-х гг. XX века в Соединенных Штатах огромные кадиллаки было сложно припарковать в центре Нью-Йорка, хотя и машин там было в разы меньше, чем сейчас. Первый парктроник в истории автомобилестроения был установлен на Cadillac 1951 модельного года. Изобретатель Брукс Уолкер предложил простое и элегантное решение проблемы с парковкой: в багажнике перпендикулярно продольной оси автомобили было установлено запасное колесо.

И вот как это работало: вы подъезжаете к парковке и видите небольшую «дырку» между автомобилями. Подъезжаете носом к бордюру и активируете систему, которая при помощи специального гидравлического узла опускает приводимое цепью от полуоси колесо на асфальт, приподнимает «корму» автомобиля и быстро переносит заднюю ось в сторону бордюра. Никакой диагональной парковки. Зад автомобиля «переносился» без долгих маневров.

Однако гениальное изобретение оказалось не совсем жизнеспособным: стоить весь этот комплекс стал столько, что конечная цена машины отпугивала покупателя. Да и сама система была настолько громоздкой, что занимала весь багажный отсек. Дорого и непрактично.

Следом машины стали оснащать еще более хитроумными изобретениями. На крыше машин в задней их части стали устанавливать зеркала, которые в паре с внутренним зеркалом в салоне машины представляли собой перископ, позволяющий разобраться, что же в действительности происходит в процессе парковки. Вид при этом был такой, будто смотришь сверху вниз на бампер и окружающее его пространство. Конструкция была простой, дешевой и эффективной, и активно использовалась, особенно в микроавтобусах. Но вот беда: мало того, что такой «глазок» стал мешать аэродинамическим свойствам автомобиля, так еще и на поверку стал очень быстро загрязняться, особенно в слякотную погоду.

Закончилось все тем, что в большинстве машин сегодня он не используется. Сейчас в большем почете специальные пластиковые линзы, наклеиваемые на обычные зеркала заднего вида. Они сильно увеличивают обзор, хотя искажают пространство. Но судя по тому, как часто эти штуковины используют наши автомобилисты, можно смело говорить, что изобретение прижилось.

2.2 Видео парктроник

На дорогих современных машинах стали делать еще умнее: в бампера встраивают обычные видеокамеры, которые транслируют картинку на доску приборов в салоне. Они лишены всех проблем, кроме двух. Во-первых, оценить по ним расстояние до машины все равно не всегда легко, особенно ночью. Во-вторых, эти камеры ввиду их расположения легко повредить, а стоят они дорого. Если все же решите приобрести такую камеру, нужно обращать внимание на несколько параметров. Во-первых, углы обзора. Они должны составлять как минимум 150 градусов. Во-вторых, светочувствительность - т.е. минимальный уровень освещенности, при котором работает камера. Рекомендуем рассматривать варианты, способные работать при свете силой от 0,5 ЛК.

Важно также количество вариантов обзора: он может быть панорамным, видом сверху или видом из-за угла. Автомобильные камеры могут быть корпусные (крепятся в салоне) и врезные (монтируются в задний бампер). Первые приятны тем, что их можно забрать и смонтировать в другом автомобиле, у вторых - лучше обзорность.

2.3 Ультразвуковые

Принцип работы парктроника основан на ультразвуке. Именно этим обусловлена дистанция, на которой препятствия определяются с наибольшей точностью. Диапазон расстояния составляет 0,2-2,5 м.

Датчик сначала излучает ультразвуковые волны, затем переключается на прием, чтобы уловить их отражение от препятствия (такой алгоритм работы можно назвать «последовательным» и он используется у большинства устройств). У лучших образцов этот промежуток времени - «время отклика» - не превышает 0,08 секунды. Разработаны парковочные радары с «последовательно-параллельным» алгоритмом: в то время как один датчик посылает сигнал, все остальные работают на прием. Вследствие этого вероятность обнаружения препятствия резко увеличивается. По времени между излучением волн и фиксированием их отражения электронный блок рассчитывает расстояние до препятствия.

Самые распространенные на сегодняшний день - ультразвуковые парктроники. Специальные датчики фиксируют расстояние до окружающих объектов подобно летучим мышам, извещая о возможной опасности специальным звуковым сигналом. Существует три основных типа парктроников: ультразвуковые, емкостные и радарные.

Принцип работы довольно прост: в автомобиль устанавливается от двух до десяти сенсоров, в каждом есть свой пьезоэлемент приемопередатчика. Как только включается система, пьезоэлемент излучает акустический сигнал на частоте примерно 40 кГц и принимает отраженный. Скорость звука - величина постоянная, поэтому на основании времени, за которое звук «уходит» и возвращается, можно судить о расстоянии. Обычно парктроники эффективны на дистанции от 25 см до 1,8 метров.

Главное, на что нужно тут обращать внимание, - количество сенсоров. Датчики с двумя сенсорами. устанавливаемыми на бампер, - самые дешевые, но у них существенно ограничена зона охвата. Они, к примеру, помогают оценить расстояние до объекта, если двигаться назад по идеально прямой траектории. Если же датчиков наставить по периметру всего бампера, то можно легко не задеть невидимый камень сбоку «по касательной». Бипперы тоже стали более совершенными: с их помощью сегодня можно оценить расстояние до объекта буквально в сантиметрах: чем ближе к препятствию, тем интенсивнее шумит гаджет.

Тут надо еще сказать, что парктроник устанавливается в современные автомобили премиум-класса, но если у вас его нет, не расстраивайтесь - всегда можно докупить. Вполне толковую модель сегодня можно купить за смешные $50. Владельцы роскошных Lexus LX последнего поколения и вовсе могут не волноваться: в их бортовых компьютерах есть функция автоматической парковки. Просто указываешь на сенсорном дисплее, где отображены все соседние машины, место, где планируешь припарковаться, - и автомобиль крутит руль сам. Пока получается не вполне: машина способна «помещаться» только в больших «выемках» во дворах. Но в будущем, безусловно, эти системы будут совершенствоваться.

2.4 Емкостные

Еще один популярный тип радаров - емкостные. В этом случае на бампер устанавливают специальные плоские ленточные антенны. Специальный блок затем контролирует емкость антенны. По мере приближения к препятствиям этот показатель изменяется и фиксируется. Преимущество у таких систем перед ультразвуковыми одно, но существенное: для установки такой штуки не нужно ничего пилить в самом бампере, и вообще их установка производится легко и просто. Минусы тоже есть, и один из них очень существенный: антенна не может определить, с какой стороны приближается препятствие, а это значит, что зачастую очень сложно понять, какого именно объекта она «боится». Это обычно раздражает, поэтому емкостные радары не так популярны.

3. Измерение расстояния ультразвуковым методом

Звук с частотою превышающий диапазон восприятия человеком (обычно 20КГц), называется ультразвуком. В ультразвуковом не разрушающем контроле и толщинометрии используются звуковые волны в диапазоне от 100КГц до 50МГц. Ультразвук -- это технология, которая может быть воплощена различными способами, что придает ей эксплуатационную гибкость.

Принцип действия ультразвуковых датчиков расстояния основан на излучении импульсов ультразвука и измерении, пока звуковой импульс, отразившись от объекта измерения, вернется обратно в датчик. При этом достигается разрешения до 0,2 мм.

Благодаря тому, что пьезоэлектрический преобразователь может служить излучателем, приемником или приемником-передатчиком ультразвуковых импульсов, появляется возможность создать ультразвуковые датчики расстояния с одним преобразователем. ПЭП сначала излучает короткий ультразвуковой импульс. Одновременно с этим, в датчике запускается внутренний таймер. Когда отраженный от объекта ультразвуковой импульс вернется обратно в датчик, таймер останавливается. Время, прошедшее между моментом излучения импульса и моментом, когда отраженный импульс вернулся в датчик, служит основой для вычисления расстояния до объекта. Полный контроль за процессом измерения производится с помощью микропроцессора, обеспечивающего высокую линейность измерений. Наиболее важными особенностями применений ультразвуковых датчиков служит их возможность измерять расстояния до таких сложных объектов как, например, сыпучие вещества, жидкости, гранулы, прозрачные или напротив сильно отражающие поверхности. В дополнение ультразвуковыми датчиками можно измерять сравнительно большие расстояния, при этом, сохраняя их небольшие размеры, что может быть существенно для ряда применений.

Методы измерения расстояния посредством ультразвуковых датчиков, основанные на принципе измерения времени прохождения сигнала.

3.1 Метод непосредственного обнаружения

Рис. 3.1.1 - Сигнал на чувствительном элементе УЗ-датчика

В данном методе обработка отражённого от объекта сигнала производится в той же точке, что и излучение. В момент времени T0 ультразвуковой передатчик излучает сигнал -- пачку импульсов, продолжительностью Дt, которая распространяется в окружающей среде со скоростью звука C. Когда сигнал достигает объекта, часть сигнала отражается и приходит в приёмник в момент времени T1. Электронная схема устройства обработки сигнала определяет расстояние до объекта, измеряя время T1 - T0.

Для измерений расстояния может применяться как схема, использующая одну и ту же головку датчика для излучения и приёма, так и схема, в которой излучение и приём производят две разные головки.

Ультразвуковые датчики непосредственного обнаружения обеспечиваются набором средств, дающих возможность гибкой установки ближней и дальней границы измерительного окна.

3.2 Метод отслеживания порога обнаружения

Он состоит в том, что пороговое напряжение детектора, подаваемое на компаратор, формируется напряжением, переменным во времени и повторяющим форму огибающей «хвоста» пачки импульсов, получаемого при затухании колебаний мембраны.

Рис. 3.2.2. - Уменьшение «мертвого» времени датчика. Метод отслеживания порога

Применение метода отслеживания порога чувствительности позволило уменьшить «слепую» зону в 2-2,5 раза. Однако использование датчиков вблизи границы «слепой» зоны требует тщательной проработки. Поэтому в характеристиках датчика по дальности в табл. 1 приводится как диапазон зондирования, так и диапазон настройки.

Таблица №1

3.3 Метод перехода через ноль

Данный метод широко применяется в ультразвуковых устройствах, в которых определяется время задержки эхосигнала относительно зондирующего импульса.

Сущность измерений заключается в следующем. Анализируется высокочастотный ультразвуковой сигнал - Рис.2.3. в схеме измерения используется аналоговый компаратор. Как только импульс превышает порог компаратора, прибор выводит информацию о том, что ультразвуковой сигнал обнаружен. Далее, измерение задержки производится в момент перехода через нулевое значение.

Рис. 3.3.3 - Переход через ноль

Главное достоинство данного способа измерений состоит в том, что найденное время задержки не зависит от амплитуды сигнала. Если сигнал превысил порог компаратора, измерение происходит автоматически.

Метод перехода через ноль при всех своих достоинствах предъявляет достаточно жесткие требования к форме ультразвукового сигнала. Необходимо обеспечить высокую скорость нарастания переднего фронта. В противном случае может наблюдаться захват второго или даже третьего периода колебаний.

Практика разработки пъезопреобразователей показывает, что довольно трудно управлять формой акустических импульсов. Обычно применяют сильное демпфирование пъезопластин, которое позволяет расширить полосу пропускания и одновременно дает возможность получить короткие ультразвуковые импульсы.[3]

Одним из способов применения ультразвука является определение расстояния. Ультразвуковой импульс, посылаемый устройством, отражается от препятствия и поступает обратно к приемнику, как эхо, что фиксируется датчиками.

Рис. 3.4. - Отражение звука от различных объектов

Информация о расстоянии до контролируемого тела, точнее некоторой отражающей зоны, принадлежащей поверхности контролируемого тела, определяется временным запаздыванием принимаемого сигнала относительно излучаемого. Примерно таким же образом летучие мыши ориентируются в пространстве: они излучают вперед направленный пучок ультразвуковых колебаний и ловят отраженный сигнал. Звуковые волны распространяются в воздушной среде с определенной скоростью, поэтому по задержке прихода отраженного сигнала можно с достаточной степенью точности судить, на каком расстоянии находится тот предмет, который отразил звук.

Замеряя время между посылом и получением эха, можно определить, насколько далеко находится объект. Приборы, использующий подобный принцип, называются сонорами. Аналогично работают радары.

Ультразвуковой датчики расстояния обладают такими характеристиками :

· бесконтактное детектирование объекта и его удаленности при помощи ультразвука

· функция предварительного конфигурирования

· высокая точность измерений при использовании данного метода

· широкий диапазон сканирования

· сканирование прозрачных объектов и жидкостей

Дальность до объекта находим по:

. (1.1)

Формула (1.1) дает точный результат в том случае, если точно известна скорость распространения звуковой волны в воздушной среде.

Существует зависимость скорости распространения от температуры среды :

, (1.2)

Относительное изменение скорости звука, как следует из этой формулы, составляет 0.17% на 1 градус.

Рис. 3.5. Зависимость скорости звука от температуры

Таким образом, контролируя температуру среды распространения, можно корректировать значения скорости и, соответственно, уточнять показания измерителя.[4]

Длина звуковой волны определяется по формуле:

, (1.3)

Рис. 3.6.Зависимость длины от частоты

Задержка временного интервала:

, (1.4)

Определяется расстоянием в -й момент времени и скоростью звука .

Запускается передатчик с периодом следования импульсов:

(1.5)

где - максимальная измеряемая дальность.

Согласно формуле Фриза, коэффициент шума каскадно включенных активных устройств определяется по формуле:

, (1.6)

где - коэффициент передачи -го каскада.

Из формулы (2.6) следует, что при , т.е. коэффициент шума приемника определяется в основном коэффициентом шума первого каскада. Физически это объясняется тем, что шумы первого каскада усиливаются всем дальнейшим трактом.

Для квазиоптимальной фильтрации одиночных импульсов часто применяют полосовые фильтры в виде одиночного контура, ширина полосы пропускания которых (по уровню 0,7) равна

, (1.7)

либо фильтры с прямоугольной АЧХ с полосой пропускания

. (1.8)

Значение дальности в соответствии с формулой

, (1.9)

Измеряемый временной интервал равен:

, (1.10)

где - число подсчитанных импульсов;

- частота генератора образцовой частоты.

Значение образцовой частоты выбирается исходя из заданной максимальной абсолютной погрешности измерения интервала времени. В нашем случае погрешность связана с длительностью зондирующего импульса и разрешающей способностью системы по дальности:

. (1.11)

Тогда минимальное значение образцовой частоты генератора:

, (1.12)

Рассчитаем для скорости распространения звука 343,5 м/с, что соответствует температуре воздуха 200С. Будем считать, что N=10 импульсов с частотой соответствуют 0,1 м измеренной дальности. Тогда

(1.13)



4. Расчетная часть

Для датчика ультразвукового парковочного локатора выбираем рабочую частоту 40 кГц.

Параметры ультразвукового парковочного локатора будем рассчитывать для температуры окружающей среды T =200С.

Согласно формуле 1.2:

с=331,5+0,6·20=343,5 0С.

Длина ультразвуковой волны:

л= 343,5/40000=8,5·10-3 м=8,5 мм .

Период следования импульсов для максимальной длины 2м по формуле 1.5:

=2·2/343,5=0,012 с =1,2·10-2с.

Для полосового фильтра в виде одиночного контура ширина полосы по формуле 1.7:

?f=1/1,2·10-2?83 Гц.

Рассчитываем максимальную абсолютную погрешность измерения интервала времени:

Дt =1,2·10-2/2=6·10-3 с.

Исходя из этого минимальное значение образцовой частоты генератора:

=1/6·10-3?167 Гц.

Рассчитаем образцовую частоту генератора для скорости распространения звука 343,5 м/с. Будем считать , что N=10 импульсов соответствуют д?=0,1 м измеряемой дальности по формуле 1.13:

=10·343,5/2·0,1=17175 Гц.



5. Энергетическая оценка системы

Задачей энергетической оценки системы является определение чувствительности приемного устройства, подключенного к ультразвуковому акустоэлектрическому преобразователю. При этом приемное устройство c сможет регистрировать отраженные сигналы от самого отдаленного отражателя при заданном отношении сигнал-шум. Для этого необходимо:

- определить величину звукового давления, создаваемого электроакустическим преобразователем;

- определить затухание акустических эхосигналов при распространении и отражении от акустических неоднородностей;

- определить величину напряжения сигнала на входе приемного устройства с известным входным сопротивлением.

5.1 Выбор электроакустического преобразователя

Основной метод излучения ультразвука -- преобразование тем или иным способом электрических колебаний в колебания механические. В диапазоне УНЧ возможно применение электродинамических и электростатических излучателей. Широкое применение в этом диапазоне частот нашли излучатели ультразвука, использующие магнитострикционный эффект в никеле и в ряде специальных сплавов, также в ферритах. Для излучения УСЧ и УЗВЧ используется главным образом явление пьезоэлектричества.

Основными пьезоэлектрическими сигналами для излучателей ультразвука служат пьезокварц, ниобат лития, дигидрофосфат калия, а в диапазоне УНЧ и УСЧ -- главным образом различные пьезокерамические материалы. Магнитострикционные излучатели представляют собой сердечник стержневой или кольцевой формы с обмоткой, по которой протекает переменный ток, а пьезоэлектрические -- пластинку или стержень из пьезоэлектрического материала с металлическими электродами, к которым прикладывается переменное электрическое напряжение. В диапазоне УНЧ широкое распространение получили составные пьезоизлучатели, в которых пьезокерамическая пластинка зажимается между металлическими блоками. Как правило, для увеличения амплитуды колебаний и излучаемой в среду мощности применяются колебания магнитострикционных и пьезоэлектрических элементов на их собственной резонансной частоте.

Вследствие обратимости пьезоэффекта он широко применяется и для приёма ультразвука. Изучение ультразвукового поля может производиться и оптическими методами: ультразвук, распространяясь в какой-либо среде, вызывает изменение её оптического показателя преломления, благодаря чему его можно визуализировать, если среда прозрачна для света. Смежная область акустики и оптики (акустооптика) получила большое развитие, в особенности после появления газовых лазеров непрерывного действия; развились исследования по дифракции света на ультразвук и её различным применениям.

Для эхолокации на ультразвуковых частотах необходимы эффективные преобразователи-излучатели и приемники ультразвука.

Ультразвуковые преобразователи (УП) характеризуются следующими (важными в нашем случае) параметрами.

1. Центральная частота (кГц) - резонансная частота (частота, соответствующая минимальному импедансу электромеханической системы) на которой происходит излучение и прием. Для некоторых типов УП в качестве центральной частоты используется антирезонансная частота, измеряемая при максимальном импедансе.

2. Уровень звукового давления или интенсивность звука (дБ) - величина звукового давления, создаваемого излучателем на заданном расстоянии, отнесенная к опорному уровню звукового давления, принятому за 0 дБ (стандартно 1 мкПа). В акустике звуковое давление обычно измеряют в дБ из-за его широкого динамического диапазона. Звуковое давление измеряют в микропаскалях на нормируемом расстоянии от датчика, равном 30см. Для удобства измерений используется опорный уровень давления P = 20 мкПа.

3. Чувствительность (дБ) характеризует возможности УП как приемника. Определяется как величина напряжения на выводах УП, отнесенная к измеренной величине звукового давления на поверхности преобразователя, выраженная в децибелах относительно опорной величины 10 В/Па.

4. Импеданс (Ом) - величина активного сопротивления преобразователя на резонансной частоте.

5. Максимальное входное напряжение (В) - предельная величина переменного напряжения, приложенного к выводам УП в течение заданного времени.

6. Емкость ( пкФ ) - величина собственной емкости преобразователя, измеренная на частоте 1 кГц.

7. Диапазон рабочих температур (0С) - диапазон температур, в котором гарантированно обеспечивается работоспособность устройства.

Также преобразователь имеет акустическое поле, разделенное на две зоны. Ближняя зона располагается непосредственно перед преобразователем и в ней амплитуда изменяется немонотонно. Длина ближней зоны Френеля рассчитывается по формуле:

, (5.1)

Дальняя зона Фраунгофера - область, в которой акустическое давление постепенно падает до нуля. Угол, при котором амплитуда сигнала становится равной нулю, называется углом раскрытия.

, (5.2)

где а - радиус преобразователя,

n - коэффициент, для круглого преобразователя n = 0,61.[5]

Рис.5.1. - Зоны преобразователя

5.2 Расчет затухания ультразвуковых эхосигналов

Распространение ультразвука в среде неизбежно связано с его рассеянием и поглощением. Физическая сторона поглощения состоит в уменьшении энергии волн вследствие потерь на трение в среде.

Поглощение звука, превращение энергии звуковой волны в другие виды энергии, и в частности в тепло, характеризуется коэффициентом поглощения a, который определяется как величина, обратная расстоянию, на котором амплитуда звуковой волны уменьшается в e = 2.718 раз. Коэффициент a выражается в в неперах на метр или же в децибелах на метр (1 Нп/м = 8,686 дБ/м).

Поглощение звука характеризуют также коэффициентом потерь

x = a·l/p ,

где l - длина волны звука

или добротностью

Q = 1/x

Величина a·l называется логарифмическим декрементом затухания.

При распространении звука в среде, обладающей вязкостью и теплопроводностью.

На низких частотах (до нескольких килогерц) и небольших расстояниях (до нескольких метров) ослабление звука вследствие поглощения неощутимо.

Таким образом, фактор поглощения волн является одним из важнейших показателей распространения упругих колебаний и существенно определяет метрологические характеристики звуколокационных устройств.

Важнейшими задачами звукодальнометрии являются концентрированная посылка звуковых волн к контролируемому телу и направленный приём отраженных волн, так как об измерениях дистанций можно говорить лишь в связи с определённой пространственной ориентацией канала излучения. Следовательно, при выборе излучателя и приемника необходимо обратить внимание на их диаграмму направленности. Для достижения нужной диаграммы направленности пьезоэлектрический преобразователь размещается в специальном звуководе.

При выборе частоты ультразвука для эхолокации в воздухе приходится решать непростую задачу: с одной стороны, чем выше частота ультразвука, тем легче получить узконаправленный пучок; с другой стороны - при повышении частоты увеличивается затухание (поглощение) ультразвука в воздухе. Кроме того, использование ультразвуковых волн с большой длиной волны не позволяет измерять расстояния до небольших объектов из-за дифракции (вследствие эффекта сгибания препятствия).

Расчет амплитуды эхо-сигнала от выпуклого бесконечно протяженного цилиндра выполнен в энергетическом (лучевом) приближении. Лучевое приближение особенно удобно применять при расчете акустического тракта, используя построения, известные из геометрической оптики. Отражение в плоскости, совпадающей с осью цилиндра, рассматривается как зеркальное. Отраженная от выпуклой цилиндрической поверхности волна расходится так, как будто она излучается источником, расположенным в точке B. Интенсивность ее убывает обратно пропорционально квадрату расстояния; в результате на расстоянии l от точки A интенсивность уменьшится в c2/(l+c)2 раз.

Рис. 5.2.Отражение волны от цилиндра

Интенсивность поля J преобразователя в дальней зоне (радиус излучателя значительно меньше лl) выражается формулой

J=J0 [Sa/(л?)]2, (5.3)

где Sa - площадь излучателя,

J0 - интенсивность поля в ближней зоне (зоне плоской волны) излучателя, J0=10-12 Bт/м2.

Интенсивность J' отраженной волны на приемнике при l = l' определяется по формуле :

, (5.4)

где d - диаметр отражающего цилиндра.

Амплитуда P' отраженной волны в дальней зоне преобразователя :

, (5.5)

Когда диаметр d отражающего цилиндра значительно меньше расстояния ? от него до преобразователя, амплитуду рассчитывают по формуле:

, (5.6)

где Вц=0,5 - безразмерный коэффициент, характеризующий отражающую способность цилиндра.

При меньших значениях диаметра d коэффициент Вц в функции от d/? резко уменьшается. Длинноволновое приближение (для d<< ?) дает значение Вц=7,4(d/?)2.[6]

В реальных средах звуковые волны затухают вследствие вязкости среды и молекулярного затухания.

На рис. 5.3. приведен график зависимости затухания ультразвуковой волны (сигнала) в воздухе от частоты ультразвука при различных расстояниях.

Рисунок 5.3. - Зависимость затухания сигнала от частоты ультразвука

Вторая составляющая затухания связана с потерями при отражении звуковых волн. По условию задания отражающим объектом является цилиндрический столбик диаметром 10 см.

На рис.5.4. приведена зависимость коэффициента отражения ультразвуковой волны от частоты ультразвука при различных диаметрах цилиндра.

Рисунок 5.4. - Коэффициент отражения ультразвуковой волны от цилиндрической поверхности в функции частоты ультразвука

Существует также зависимость коэффициента затухания от относительной влажности.

Рис 5.5. - Зависимость коэффициента затухания

Расчет напряжения на выходе преобразователя при приеме

Влияние частоты, расстояния и среды распространения звука на амплитуду звукового давления.

Различные датчики производят различное звуковое давление (SPL - sound pressure level). В акустике, в силу широкого динамического диапазона, звуковое давление обычно выражается в децибелах:

SPL=20 log (P/P0), (5.7)

где P - фактическое давление в микропаскалях (мкПа)

P0 - опорное давление, принимается равным 1 мкПа - минимальному уровню, воспринимаемому на расстоянии R0=30см. от датчика.

Соответственно, R0 принимается как опорное расстояние.

В процессе распространения, звуковой луч радиально расширяется по мере удаления от излучателя, а амплитуда звукового давления P снижается из-за затухания и рассеивания.

Тогда SPL на расстоянии R от излучателя выражается формулой:

SPL(R)=SPL(R0)-20 Log (R/ R0)-a(f)R, (5.8)

где R - фактическое расстояние от датчика;

R0 - опорное расстояние;

a(f) - коэффициент затухания сигнала с частотой f.

Суммарное ослабление равно:

,( дБ) (5.9)

Уровень звукового давления, действующего на преобразователь, равен:

,( дБ) (5.10)

По абсолютной величине звуковое давление составляет:

, (5.11)

- давление нулевого уровня - 2·10-5 Па.

Чувствительность преобразователя рассчитаем по формуле :

, (5.12)

где - уровень чувствительности преобразователя;

- опорная величина = 10 В/Па.

Напряжение на выходе преобразователя рассчитаем по формуле:

, [дБ] (5.13)

Будем считать, что для надежной работы приемного устройства отношение сигнал/шум на его входе должно быть не менее 10 дБ. Тогда необходимая чувствительность приемника, ограниченная шумами, равна:

, (5.14)

Это необходимое значение чувствительности УНЧ.

5.1 Расчет энергетики и выбор преобразователя

Ближняя зона Френеля по формуле 5.1 равна:

=9·10-3 м.

Дальнюю зону Фраунгофера рассчитываем по формуле 5.2:

=380.

Исходя из полученных расчетов и начальных условий в качестве излучателя и приемника ультразвукового сигнала я выбрал ультразвуковой приёмопередатчик MA40E7S-1 , который имеет влагозащищенный корпус, что дает большое преимущество по сравнению с другими ультразвуковыми датчиками открытого типа. [7]

Рис. 5.6. Внешний вид данного приемопередатчика.

Характеристики датчика MA40E7S-1:

1 Функция - приемопередатчик

2 Диаметр - 10 мм

3 Чувствительность - 72 дБ

4 Уровень звукового давления - 106 дБ

5 Разрешающая способность - 5 мм

6 Детектируемое расстояние - 0.2-2.5 м

7 Частота - 40 кГц

Площадь преобразователя:

Sa=р·(5·10-3)2=1,6·10-4 м2.

Рассчитаем интенсивность поля преобразователя в дальней зоне по формуле 5.3:

6,2·10-16Вт/м2.

По формуле 5.4 определим интенсивность отраженной волны на приемнике:

=10-17 Вт/м2.

Так как d << ? (0,1<<1), то амплитуду отраженной волны рассчитаем по формуле 5.6:

.

Рассчитываем напряжение на выходе преобразователя:

Uпр=-72+106=34 дБ.

Заключение

Изучил методы расчета измерения расстояния с помощью ультразвуковых волн, явление дифракции, рассеивание и отражения волн в различных средах. Разобрался в работе пьезоэлектрического преобразователя. Рассчитал параметры ультразвукового парковочного локатора, согласно проектным данным, успешно применив для этого знания, полученные во время изучения дисциплины «Радиоэлектронные системы».



Список литературы

1. А. Красных. Разработка ультразвуковых устройств для мониторинга неэлектрических параметров, определяющих безопасность эксплуатации ВЛ. Киров 2005г.

2. http://amastercar.ru/articles/body_of_car_9.shtml

3. В. Жданкин. УЗ датчики для систем управления. Журнал «СТА» №4 2003г.

4. А. Зацепин. Физичкеские основы ультразвуковой дефектометрии. Екатеринбург. 2006г.

5. М.Гладштейн, М Шаров. Акустический локатор для автомобиля. Журнал «Радио». №12 2000г.

6. Бербенец А. Ультразвуковые преобразователи. Журнал «Компоненты и технологии» №3 2004 г.

7. http://avto-blogger.ru/chto-takoe-v-avtomobile/parktronik-chto-eto.html

Размещено на Allbest.ru