Как сделать детектор ультразвука
Принцип работы ультразвукового датчика и способы измерить расстояние
Идею определять расстояние до предметов с помощью звука человек позаимствовал у природы. Летучие мыши, дельфины и некоторые другие животные, посылая звуковые сигналы и принимая отраженные, ориентируются в пространстве. По тому же принципу работает ультразвуковой датчик. Излучая звуковые волны ультравысокой частоты, сканирует пространство перед собой, и по отраженному сигналу обнаруживает объекты и вычисляет расстояние до них.
Принцип действия
Датчики ультразвукового излучения используются для обнаружения объектов, контроля их движения и измерения расстояний до них. Принцип действия состоит в следующем. Прибор излучает звуковые колебания с частотой больше 20000 герц. При встрече с объектом они отражаются, попадают в приемник, и фиксируется. Электронная схема отсчитывает время, которое прошло с момента импульса до момента приема эха. Расстояние высчитывается по формуле: R= tV/2, где t – время между импульсом и приемом эха, V — скорость звука. Произведение делится на 2, потому что звуковые волны проходят путь, равный двойному расстоянию между объектом и датчиком. Скорость звука в различных средах неодинаковая: в воздухе это 331 м/сек, в дереве –1500, в воде – 1430.
Расстояние, на котором обнаруживаются объекты – до 8 метров, при условии, что у них твердая и гладкая поверхность. Если они изготовлены из мягкого, пористого материала, поглощающего звук – расстояние сокращается.
Описание и назначение
Датчик ультразвука — техническое устройство, которое состоит из нескольких основных частей:
Излучатель
Наиболее распространены два вида излучателей: магнитострикционный и пьезоэлектрический.
Магнитострикционный — ультразвуковые колебания возникают при изменении линейных размеров ферромагнетика в переменном магнитном поле.
Пьезоэлектрический – ультразвуковые волны возникают при изменении линейных размеров диэлектрика, выполненного в виде мембраны, в переменном электрическом поле.
Приемник
Пьезоэлектрический эффект имеет обратную сторону: ультразвук, попадая на пьезоэлемент, вызывают в нем колебательные движения, в результате которых возникает электрический ток. На этом принципе работают датчики ультразвукового излучения: возникновение тока в электрической цепи говорит о появлении объекта перед прибором.
По конструкции приемо-передающей системы выделяют два типа датчиков:
В данной схеме передатчик и приемник — единый элемент. Мембрана, излучив ультразвук, принимает отраженный сигнал и формирует электрический сигнал. Это упрощает конструкцию, уменьшает размер. Однако есть недостаток. Мембрана после излучения не может сразу перейти к приему – необходимо время, чтобы колебания погасли. Этот период получил наименование «мертвое время». Расстояние до приемника, ближе которого отраженный объектом сигнал будет попадать на мембрану в мертвое время, называется слепой зоной. На таком расстоянии прибор не фиксирует сигнал, и объект не обнаружиться. С этим явлением борются. При помощи настроек и специальных режимов работы удается уменьшить слепую зону в 2 раза, но полностью устранить ее невозможно.
Передатчик и приемник – отдельные части конструкции. У прибора нет слепой зоны, однако требуется настройки элементов для совпадения частоты передачи и приема сигнала.
Назначение датчика ультразвука — фиксация появления объектов в зоне действия, измерение расстояния до них, подсчет перемещающихся в зоне обзора предметов, определения уровня сыпучих грузов и жидкостей. При выполнении этих задач он может работать в темноте, в условиях задымленности, запыленности, повышенной влажности, высоких и низких температур. Прибор нечувствителен к звуковым сигналам слышимого диапазона. При необходимости легко регулируется на другие измерительные диапазоны.
Примеры
Ультразвуковой датчик Lego Mindstorm EV 3
Входит в робототехнический конструктор Lego Mindstorm EV 3. Основная функция — измерение расстояния до объектов, находящихся в поле зрения сенсора.
Выполнен по схеме с двумя головками. Одна – пьезоэлектрический преобразователь-излучатель AW8T40, другая — пьезоэлектрический преобразователь-приемник AW8R40. Головки размещены в общем корпусе вместе с микроконтроллером и микросхемами усиления сигнала. Датчик через кабель подключается к центральному микрокомпьютеру EV 3.
Лучше обнаруживает объекты с гладкой, хорошо отражающей звуковые волны поверхностью. Объекты, покрытые мягкой тканью, могут не обнаруживаться датчиком. Затруднено фиксирование объектов сферической формы, либо имеющих наклонные поверхности.
Работает в двух режимах:
Датчик сконструирован для использования в наборе Lego Mindstorm EV 3 и автоматически определяется программным обеспечением микрокомпьютера. Устанавливается на роботах, собранных из элементов набора.
Ультразвуковой датчик HC-SR04
Датчик также выполнен по двухголовочной схеме и состоит из пьезоэлектрического преобразователя-излучателя TCT40-16T, и пьезоэлектрического преобразователя-приемника TCT40-16R. Они размещены на плате, размером 45х25 мм, с обратной стороны которой смонтированы микросхемы и другие элементы. Внизу платы выведены четыре контакта: 2 – питания, 2 – цифровые вход и выход.
Обычно он интегрируется с аппаратной платформой Arduino, но может подключаться и к другим микроконтроллерам. Благодаря открытой архитектуре и программному коду Arduino, HC-SR04 широко используется в любительских и профессиональных проектах: конструирование робототехники, создание измерительных приборов и сторожевых систем и т.п.
Работает только в активном режиме – не определяет посторонние источники ультразвука.
Востребованности прибора способствует цена – около 100 рублей.
Применение сенсоров ультразвукового излучения в робототехнике
Главная задача, решаемая в робототехнике с помощью датчиков этого вида — ориентирование робота на местности, предотвращение столкновений и обеспечение обхода препятствий.
Достоинства систем ориентации, построенных на ультразвуковых датчиках:
Учитывая незначительную дистанцию действия сенсоров в воздушной среде, их применяют в пространствах ограниченного объема искусственного или естественного происхождения, с твердыми и ровными поверхностями. Это обеспечивает получение устойчивого эхо-сигнала. В таких условиях информация ультразвукового дальномера объективна. Для кругового обзора необходимо увеличение количества датчиков. Определение расстояние до преграды в движении, остановка и объезд достигается программными средствами.
Ультразвуковые сенсорные системы широко применяются в подводных роботах, являясь основными средствами контроля окружающего пространства. Здесь в качестве гидроакустических преобразователей используют магнитострикционные излучатели, обладающие большой акустической мощностью.
Другие сферы применения
Ультразвуковые сенсоры применяют в различных областях:
Для надежности обычно применяют несколько ультразвуковых охранных датчиков, работающих на разных принципах.
Ультразвуковой контроль качества материалов и изделий. Принцип действия основан на отличии скорости звука в разных средах и отражении ультразвука от границы сред. Обнаруживает точное расположение внутренних дефектов на глубине нескольких метров.
Устройство для прослушивания ультразвука
Как известно, человеческое ухо не способно слышать звук частотой более 20 кГц. Акустические колебания более высокой частоты и являются ультразвуком. Они могут быть по частоте от 20 кГц до сотен кГц и даже вплоть до 1 Мгц.
Например, в зоне где есть достаточно мощный источник ультразвука нам кажется что мы находимся в тишине, но при этом мы быстро устаем, наш слух притупляется (явная перегрузка органов слуха), может появиться головная боль или ощущение заложенных ушей, головокружения.
Здесь описывается прибор, который позволяет услышать ультразвук. в буквальном смысле, именно услышать, а не зарегистрировать его наличие. Прибор понижает частоту входного звукового сигнала до слышимого нам уровня, делая это путем преобразования частоты.
Практически, это такой ультразвуковой супергетеродинный приемник, преобразующий входной сигнал – ультразвук, в низкую «промежуточную» частоту, доступную для нашего восприятия.
Схема прибора показана на рисунке 1. На микросхеме А1 сделан генератор частоты гетеродина, эта частота должна отличаться от частоты ультразвука, который желаем услышать, на 1-10 кГц, то есть, на частоту хорошо слышимую нашим человеческим ухом.
Частота регулируется переменным резистором R1 в пределах примерно от 25 до 50 кГц. При необходимости охватить больший диапазон можно переключать конденсаторы С1, выбрав их разной емкости, чтобы переключателем можно было переключать поддиапазоны. На преобразователь частоты сигнал гетеродина, имеющий форму прямоугольных импульсов, поступает через делитель на резисторах R3 и R4, который понижает амплитуду этих импульсов
Преобразователь частоты сделан на микросхеме А2 типа SA602.
Эта микросхема широко известная радиолюбителям и обычно используется в схема радиоприема в качестве преобразователя частоты. Здесь она так же работает в качестве преобразователя частоты. На её вход поступает сигнал от микрофона М1. а на гетеродинный вход поступает сигнал гетеродина он гетеродина на микросхеме А1. Естественно, на выходе будет суммарно разностный сигнал, он поступает с вывода 5 А2 через регулятор громкости R5, на УНЧ на микросхеме А3.
Цепь R7- С12 служит простейшим фильтром низких частот, подавляющим суммарный сигнал. В результате на УНЧ на микросхеме АЗ поступает только разностный сигнал. Который затем усиливается и озвучивается головными телефонами В1. УНЧ на микросхеме АЗ типа LM386 работает в режиме максимального усиления с коэффициентом усиления 200.
На выходе можно установить и динамик, но нужно следить за громкостью, чтобы не возникло самовозбуждения. Если имеется хороший лабораторный генератор синусоидального или прямоугольного сигнала, от которого можно получить частоту в пределах от 20 кГц до 1 Мгц, то предпочтительнее будет в качестве гетеродина использовать его.
В этом случае схема приобретает вид, как показано на рисунке 2. С помощью такого прибора можно прослушать на наличие ультразвука практически весь ультразвуковой диапазон. На схеме на рис. 2 нумерация деталей сохранена как на рис.1. Схему, безусловно, можно модифицировать. Например, генератор на микросхеме А1 типа 555 (так называемый интегральный таймер) можно заменить схемой мультивибратора на логической микросхеме, например, К561ЛА7, как показано на рисунке 3.
Эта схема позволяет регулировать частоту плавно переменным резистором R2 от 25 кГц до 400-500 кГц. Возможны и другие варианты схемы гетеродина. Микрофон М1, конечно же, желательно использовать специальный на ультразвуковой диапазон. Но, в отсутствии такового сойдет и высокочастотная динамическая головка.
Конечно, её чувствительность в качестве микрофона будет маловата, но вполне достаточна, если прослушивать сигнал на головные телефоны (В1). Желательно микрофон снабдить параболическим рупором, чтобы можно было удобнее локализовать источник ультразвука.
Следует принять во внимание, что используя в качестве микрофона высокочастотную динамическую головку, чувствительность будет снижаться тем более, чем выше частота ультразвука, который нужно прослушать.
Устройство было изготовлено с экспериментальными целями, поэтому собрано оно было на печатной макетной плате. Специальная печатная плата для него не разрабатывалась. Какой-либо настройки не требуется, работает сразу же после включения. Для проверки был собран генератор ультразвука по схеме на рис. 4.
Как сделать детектор ультразвука
Основное назначение предлагаемого вниманию читателей устройства — индикация уровня звукового давления сигналов, частоты которых составляют от 16 до 40 кГц (такие сигналы нередко применяются в охранных системах). Не воспринимаемые ухом взрослого человека, сигналы этих частот, тем не менее, угнетающе действуют на человеческую психику, а если человек длительное время находится в зоне действия мощного ультразвукового сигнала, то велика вероятность повреждения слуха. Кроме того, устройство может успешно применяться для поиска ультразвуковых сигналов естественного и искусственного происхождения.
В схеме ультразвукового детектора используются две микросхемы — счетверенный широкополосный операционный усилитель TS924 и светодиодный драйвер LM3915, а приемником ультразвуковых колебаний является электретный микрофон, АЧХ которого имеет подъем на частотах около 20 кГц. На этих частотах при звуковом давлении 90 дБ выходное напряжение микрофона составляет 8 мВ.
На операционном усилителе DA1.1 собран микрофонный усилитель с коэффициентом усиления 40. Ослабление низкочастотных сигналов происходит благодаря выбору соответствующих емкостей конденсаторов С1 и СЗ, а значительное подавление сигналов на частотах ниже 16 кГц обеспечивает фильтр верхних частот 5-го порядка, выполненный на операционном усилителе DA1.2. С помощью под-строечного резистора R20 добиваются максимальной линейности АЧХ фильтра в полосе пропускания (16-40 кГц).
Детектор принятого сигнала собран на операционном усилителе DA1.3. Диод VD11 обеспечивает защиту входа ОУ при больших входных напряжениях отрицательной полярности. Коэффициент передачи детектора регулируется с помощью подстроечного резистора R21.
Положительное напряжение с выхода детектора через резистор R18 заряжает конденсатор С13. Заряд конденсатора осуществляется очень быстро — за 22 мкс. Резистор R18 ограничивает ток заряда конденсатора.
На операционном усилителе DA1.4 выполнен повторитель напряжения, используемый для “развязки» детектора и светодиодного драйвера. Уровень звукового сигнала на входе устройства определяет величину постоянного напряжения на выходе детектора, которое, будучи поданным на вход светодиодного драйвера, вызывает свечение одного из светодиодов. Таким образом, по свечению светодиодов можно судить как о наличии ультразвукового сигнала, так и о его интенсивности.
По материалам статьи “Ultrasonic Sound Detector ”, опубликованной в журнале “Elektor”, №9/2008.
Легкодоступная левитация в ультразвуке
Привет, Хабр. В этой статье я расскажу о простом устройстве для демонстрации акустической левитации из доступных компонентов. В статье много фотографий и ссылка на видео с экспериментами.
Впрочем, я всего лишь повторил готовое устройство, описанное в этой статье.
Краткая информация по устройству и эксперименты с левитацией показаны в моём видео (эксперименты начинаются с 2:00).
Самым главным элементом этого устройства являются ультразвуковые пьезоизлучатели, которые можно взять из достаточного популярного ультразвукового датчика расстояния (на алиэкспрессе искать по запросу «ultrasonic distance HC-SR04» по цене 70 руб).
В этом датчике два одинаковых элемента. Один работает как генератор ультразвука, а второй как приёмник. Чтобы их выпаять, лучше всего использовать оловоотсос.
Далее нужно вынуть сетку, чтобы уменьшить потери при генерации. Для этого нужно развернуть обжим алюминиевого корпуса с помощью кусачек или плоскогубцев.
Из вынутой сетки можно сразу сделать лопатку для установки частиц в наш «левитатор». Для этого нужно немного подрезать спичку или зубочистку и приклеить к ней сетку суперклеем. Края сетки лучше немного подогнуть.
На поверхности пьезоизлучателя, который был приёмником, есть капля желеподобного клея. Предположительно, это сделано для лучшего поглощения ультразвуковой волны. Эту каплю желательно снять небольшой отвёрткой.
Схема ниже взята из оригинальной статьи. В ней используется драйвер шагового двигателя L239D. При этом в тексте говорится о драйвере L293D (цифры поменялись), который более распространён. Можно купить готовую плату на драйвере L298N (искать по запросу «motor drive board L298N», по цене около 120 рублей). Я использовал просто мостовую схему на транзисторах для переключения полярности на моторе и так тоже хорошо работает. Но проще купить готовую плату с драйвером L298N. Также нужно купить плату Arduino Nano, которая создаёт нужную частоту 40 кГц, и источник питания на 12 В (достаточно тока 1 А). Программа для Arduino есть в исходной статье. В итоге, схема должна выдавать импульсы напряжения ±12 В с частотой 40 кГц.
После сборки схемы нужно установить пьезоизлучатели встречно друг на друга, оставляя возможность изменять расстояние между ними. Я использовал металлический конструктор, в котором нашлась интересная деталь с продольными вырезами под винты. Не помню из какого набора эта деталь, так как давно покупал наборы отечественных и импортных производителей (винты М4, шаг отверстий 10 мм) и сложил их все в одну кучу.
Я подбирал расстояние начиная с 25 мм. Постепенно уменьшал его по пол миллиметра и проверял, как висят частицы пенопласта. Остановился на 22 мм, при этом частицы висели лучше всего. В оригинале статьи есть способ поиска оптимального расстояния с помощью осциллографа. Если один пьезоизлучатель временно отключить от генератора, то он становится приёмником и выдаёт синус. Нужно совместить его по фазе с прямоугольным сигналом генератора.
Когда оптимальное расстояние найдено, можно начинать эксперимент. Для этого нужно приготовить небольшие лёгкие частицы: шарики от пенопласта (также искусственный пенопластовый снег), кусочки салфетки, бумаги и тонкой фольги (поталь), новогодние украшения типа «дождик», крупные блёстки. С помощью лопатки из сетки нужно их поднести в область между пьезоизлучателями и опустить лопатку. Частица будет захвачена в один из узлов стоячей волны. Эти узлы находятся на расстоянии примерно 4 мм друг от друга. Можно заносить сразу несколько частиц. В зависимости от размеров и формы, частицы могут висеть неподвижно, колебаться или крутиться.
Как ни странно, пока ещё на алиэкспрессе нет этого устройства в готовом собранном виде в красивом корпусе. Но есть набор для самостоятельной сборки более мощного левитатора из 75 пьезоизлучателей (искать по запросу «Acoustic Levitator», цена около 5000 рублей за несобранную версию). Про этот большой левитатор есть целая научная статья.
Всем спасибо за внимание, надеюсь статья будет полезна. Счастливой левитации!