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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Wie sind Ultraschalllausprecher und -mikrofone aufgebaut?


Autor: E-Mann (Gast)
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Hallo,

weiß jemand, auf welche Art Ultraschalllautsprecher und 
Ultraschallmikrofone aufgebaut sein können?
Gibt es da verschiedenen Möglichkeiten?

Ich möchte demnächst einen US-Abstandssensor aufbauen und würde gerne 
wissen, welche Systeme in Frage kommen und wie ihr Innenleben wenigstens 
theoretisch aussieht.

Piezo-Basis, eher wie dynamische Mikros oder was ganz anderes...???
Denke mal, normale ECMs und dyn. Mikros schaffen so hohe Frequenzen 
nicht...

PS: es sollen in jedem Fall Sende- und Empfangskapsel getrennt sein, 
also nicht beides in einem Gehäuse

Autor: Jochen S. (schiffner)
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Hi,
hier gibts ne Beschreibung zu nem Kemo - Bausatz mit Piezosender und 
-empfänger:

http://www.kemo-electronic.com/eam/b214/eam_b214.pdf

vielleicht hilfts ja weiter.

Autor: Ulrich (Gast)
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Meistens werden Piezo Wandler als Sender und Empfänger benutzt. Als 
Empfänger gehen auch Kondensator oder Elektretmikrofone, die für so hohe 
Frequenzen geeignet sind (viele kleine könnten, wenn da nicht ein extra 
Kondensator dirn wäre, um hohe Frequenzen zu dämpfen).

Eher selten werden/wurden auch Elektrostatische Wandler (also wie 
Kondensatormikrofon) auch als Sender benutzt. Einige Hochton 
Lautsprechern könnten auch noch was im Ultraschallbereich abgeben.
Unter Wasser oder für Festkörper-Ulatraschall gehen auch 
Magnetostriktive Wandler.

Autor: E-Mann (Gast)
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Danke für die Infos!

Das sind dann aber wahrscheinlich ziemlich kleine Piezos, schätze ich...

Und im ECM sind tatsächlich Zusatzkondensatoren zur Frequenzkompensation 
verbaut?! Staun!

Autor: Jörg Rehrmann (Firma: Rehrmann Elektronik) (j_r)
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Ulrich schrieb:

> Eher selten werden/wurden auch Elektrostatische Wandler (also wie
> Kondensatormikrofon) auch als Sender benutzt.

Das stimmt so nicht. Bis in die 70-er Jahre wurden z.B. für 
US-Fernbedienungen ausschließlich Elektrostatische Wandler verwendet. 
Dabei sind Sender und Empfänger üblicherweise identisch aufgebaut und 
können wahlweise als Kondensatormikrofon oder als elektrostatischer 
Lautsprecher betrieben werden. Soweit ich mich erinnern kann, kamen 
piezoelektrische Luftultraschallwandler erst Mitte der 70-er Jahre auf 
den Markt.

Jörg

Autor: E-Mann (Gast)
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muss so ein elektrostatischer wandler nicht mit hochspannung betrieben 
werden? das stelle ich mir für eine batteriebetriebene fernbedienung 
eher ungünstig vor...

Autor: Wolfgang Horn (Gast)
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Hi, E-Mann,

aus einer demontierten US-Fernbedienung: Ein LC-Oszillator erzeugt die 
Wechselspannung, eine Diode wandelt die negativen Halbwellen in eine 
DC-Vorspannung.

Für RADAR-ähnliche Anwendungen wäre damit auch die Vorspannung für den 
Empfang noch zu gebrauchen.


Ciao
Wolfgang Horn

Autor: E-Mann (Gast)
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und wie ist so ein elektrostatischer wandler in der realität aufgebaut?

Autor: Ulrich (Gast)
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Stimmt schon, die elektrostatischen Wandler sind die alte Technik. 
Aufgebaut sind die wie ein Kondensatormikrofon. Halt eine dünne 
Metallmembrane und eine Elektrode dicht dahinter.

Autor: E-Mann (Gast)
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dann kann man ja vielleicht zwei alte kondensatormikros ausschlachten 
und zum sender bzw. empfänger umfunktionieren...!?

Autor: Jörg Rehrmann (Firma: Rehrmann Elektronik) (j_r)
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E-Mann schrieb:
> dann kann man ja vielleicht zwei alte kondensatormikros ausschlachten
> und zum sender bzw. empfänger umfunktionieren...!?

kann man zwar machen, würde ich aber dem Ungeübten nicht empfehlen. 
Immerhin werden einige 100 V DC-Vorspannung und für den Sender 
zusätzlich ebensoviel Volt AC benötigt. Das macht man üblicherweise mit 
einem Resonanztransformator, den man u.U. erst einmal wickeln muß. 
Eventuell kann man auch die Bauteile aus einer Fernbedienung verwenden 
und am besten gleich die Sendeschaltung komplett übernehmen.
Ein Piezo-Wandler ist da schon wesentlich einfacher zu handhaben.

Jörg

Autor: E-Mann (Gast)
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für den sender hätte ich überlegt, eine drosselspule über einen T an 
einen µC-portbit anzuschließen und mit 40 khz ein-und auszuschalten. 
parallel zur spule dann den sender. bei jedem ausschalten würde dann ein 
induktiver spannungs-peak entstehen und den "sendekondensator" zum 
schwingen anregen...

Autor: yalu (Gast)
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Das ist der Klassiker unter den elektrostatischen US-Wandlern:

  http://www.acroname.com/robotics/parts/R13-INST.html

Er wurde ursprünglich von Polaroid im Entfernungsmesser von Sofortbild-
kameras und später von Forschern und Bastlern in den Kollisionsschutz-
sensoren von mobilen Robotern eingesetzt. Hierfür war und ist er so
beliebt, dass er heute — lange nach dem Ableben der Sofortbildkameras —
immer noch verkauft (evtl. sogar hergestellt) wird.

Die obige Webseite enthält auch ein paar Links zu weiterführenden
Informationen.

Autor: Raimund Rabe (corvuscorax)
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In meinen Nachbauten der 'Grönemeyer-Box' (Original von Guido J. Wasser, 
siehe auch 
http://www.hifi-selbstbau.de/index.php?option=com_..., 
allerdings modifizierte ich sie im Bass- und im Mittel-Hochtonzweig 
indem ich etwas andere Chassis zum Einsatz brachte) kamen die TH800 (von 
Technics) als Hochtöner zum Einsatz. Diese würden, meines Wissens, 
entwickelt um als Power-Ultraschallsender für Frequenzen bis 100kHz zu 
'dienen'.
Das man sie dann für HiFi misbrauchen kann, liegt ja wohl auf der Hand. 
;-)
Der TH1000 soll es gar auf bis zu 150kHz gebracht haben.
Guckst Du hier: http://www.biams.de/chassis/technics/technics.htm

Dies nur mal als kleine Anekdote, was man mit dynamischen Schallwandlern 
so schaffen kann.

Ansonsten kommen für Ultraschall schon überwiegend nur noch Piezos zum 
Einsatz. Kostengünstig, effizient, leicht und kann dem Eingangssignal 
auch sehr schnell folgen. Allerdings ist ein Piezo für eine 
Treiberschaltung (Leistung-OpAmp) nicht immer ganz unkritisch, da er 
eine große kapazitive Last darstellt.

Autor: Mkausulm (Gast)
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Hallo E-Mann,

entscheidend für den US-Abstandssensor ist sein Einsatzgebiet, also 
Außen- oder im Innenbereich. Wenn Du Transducer verwendest hast Du einen 
Ultraschalllautsprecher und Sender in einem Teil. Du feuerst sogenannte 
Ultraschallbursts (100 ... 1000V) ab und anschließend lauschst Du ob 
Echos zurückkommen.
Für den Außenbereich brauchst du wasserfeste US-Wandler, am besten 
Park-Distanz-Sensoren wie in Bausätzen (sh Reichelt oder Conrad) oder an 
einigen parkenden Autos. Die Polaroid-US-Transducer sind Folienwandler 
und nicht spritzwasserfest. Auch bei Dreck Kondenswasser bestrafen Sie 
Dich mit Unempfindlichkeiten.
Im Innenbereich ist dies meistens schnuppe aber bedenke bei Temperaturen 
über 50°C und mehr kommt es zu Unterreichweiten weil die Luftteilchen 
erst einmal damit beschäftigt sind durch höhere thermische Energie 
stärker hin- und herzuschwingen und Schallwellen stärker ignorieren. Bei 
Temperaturen unter 10°C und niedriger entstehen Überreichweiten, die 
stören könnten. Das Reichweitenderating kann nicht pauschal angegeben 
werden. Es ist immer abhängig von deinen Verstärkungsfaktoren, 
Rausch-Signal-Abständen und eventuellen Auswertealgorithmen deiner 
Software und woraus die Luft besteht und wie sie gerad drauf ist.
Auf die Größe von Ultraschallechos wirken mindestens 10 Faktoren ein die 
Dir das Leben schwer machen. Es empfielt sich auf jeden Fall, die 
Umgebungstemperatur mit zu erfassen und darüber die Verstärkung deines 
Distanzmesssystems zu korrigieren per Controler oder auch analog. Tust 
Du dies nicht funktionieren dein Teil genauso schlecht wie die 
PKW-Distanzsensoren, die gerade bei heißem Asphalt so manchen Boller 
oder Bordstein nicht "Hören".
Einfache Ansteuerschaltungen (mit 555-Timer) bis hin zu 
prozessorgesteuerten Ultraschallkanone etc. könntest Du im Internet 
finden wenn Du Meta-Search benutzt und nicht nur Google, Stichwort 
Ultrasonic

Autor: E-Mann (Gast)
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das Gerät soll im Innenbereich Einsatz finden, so um die 20 bis 
25Grad...

Vom Polaroid-Sensor hatte ich schon gehört.

Wie gesagt will ich unbedingt mit getrennten Sende-und Empfangsmodulen 
experimentieren.

Wie bekommt man denn bei einem Piezosender bzw. Empfänger die genaue 
Resonanzfrequenz raus? Über einen Vorwiderstand betreiben und an diesem 
den Spannungabfall bei steigender Frequenz messen, bis man ein Maximum 
erreicht?!?

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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Die Wandler von Polaroid sind breitbandig, die Piezos dagegen extrem 
schmalbandig.
Betreibe das Ding als Schwingkreis. Mehr ist dazu eigentlich nicht zu 
sagen, alles andere ergibt sich daraus!

Wir hatten so einen Thread schonmal. Benutze mal die Suche.


Gruß -
Abdul

Autor: E-Mann (Gast)
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<Betreibe das Ding als Schwingkreis. Mehr ist dazu eigentlich nicht zu
sagen, alles andere ergibt sich daraus!

den Sender wollte ich wie bereit erwähnt direkt am Portpin eines µC 
betreiben.
Deshalb wäre es ganz hilfreich, die Eigenresonanz eines solchen 
Piezosenders herauszufinden und diese dann zum Betrieb zu benutzen.

Autor: Abdul K. (ehydra) Benutzerseite
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Ja und? Datenblatt suchen, Schwingkreis berechnen, ausprobieren.

Wie erwähnt, suche einfach nach dem Thread. Dort hatten wir uns wirklich 
länglich drüber ausgelassen und es gibt fertige Schaltungsunterlagen.


Gruß -
Abdul

Autor: Axel R. (axelr) Flattr this
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E-Mann schrieb:
>> Betreibe das Ding als Schwingkreis. Mehr ist dazu eigentlich nicht zu
>> sagen, alles andere ergibt sich daraus!
>
> den Sender wollte ich wie bereit erwähnt direkt am Portpin eines µC
> betreiben.
> Deshalb wäre es ganz hilfreich, die Eigenresonanz eines solchen
> Piezosenders herauszufinden und diese dann zum Betrieb zu benutzen.

Direkt am Portpin?
Der kann uU. die entstehende hohe Spannung im Resonanzfall nicht ab.
Diese kann bei entsprechend hoher Güte recht hoch werden.
Aufpassen!!

Autor: E-Mann (Gast)
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<Direkt am Portpin?
mit TUN als impedanzwandler


<Wie erwähnt, suche einfach nach dem Thread. Dort hatten wir uns 
wirklich
<länglich drüber ausgelassen und es gibt fertige Schaltungsunterlagen.
zum thema ultraschall gibt es beiträge in allen variationen, welchen 
genau meinst du?

Autor: Mkausulm (Gast)
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> Wie gesagt will ich unbedingt mit getrennten Sende-und
> Empfangsmodulen experimentieren.

Dann musst du halt Sende- und Empfangsschaltung auftrennen. Ist aber 
unüblich.

> den Sender wollte ich wie bereit erwähnt direkt am Portpin eines µC
> betreiben.

Schalte lieber einen Treibermosfet der einen Übertrager taktet 
dazwischen (funktioniert ähnlichwie Zündung am Benzinmotor). Den 
Übertrager musst du mit seiner Wicklungsresonanz an die notwendige 
Sendespannung und der Resonanz deines Piezos oder Folienwandlers 
anpassen.

> Eigenresonanz eines solchen Piezosenders herauszufinden

Impedanzmessbrücke, steht meistens unbenutzt im Unilabor herum und wird 
von Digitalfreaks gemieden, weil funktioniert analog.  Ansonsten 
Parallelschwingkeis aufbauen, Frequenzen selber durchwobbeln und das 
Nachschwingen/Phasenscheitelpunkt des Piezos oder Folienwandler messen. 
Bei Phasenrichtungswechsel hast du eine Harmonische. Aber aufpassen, die 
Wandler haben nicht nur eine Resonanzstelle, es gibt Ober- und 
Unterharmonische.
Wenn Du eine funktionierende Schaltung hast, kannst Du die 
Resonanzfrequenz  herausbekommen indem Du den Amplitudenhub des Echos 
bei verschiedenen Sendefrequenzenan einem definierten Reflektor 
ermittelst. --> Amplitudenmaxima bei Sendefrequenz XXHz wegen Resonanz 
mit Transducer

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