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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Entfernungsmessung unter Wasser


Autor: Stefan (Gast)
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Ich möchte Entfernungen im Wasser im Bereich bis zu mehreren 100 Metern 
messen. Am besten dafür geeignet erscheint mir hiefür eine 
Laufzeitmessung mit Ultraschall.

Um Meeressäuger nicht zu stören möchte ich jedoch Frequenzen im
Bereich >300KHz verwenden.

Mein Problem: Ich weiß nicht, wie stark eine solche Ultraschallwelle im 
Wasser gedämpft wird. Wie groß muss die Leistung des Senders im Wasser 
ungefähr sein, damit ich in 800m Entfernung noch ein auswertbares Signal 
empfangen kann? (Sender und Empfänger sind nicht aufeinander 
ausgerichtet, der Sender muss das Signal also Kreisförmig nach allen 
Richtungen aussenden).

Laut dieser Seite

http://resource.npl.co.uk/acoustics/techguides/sea...

beträgt die Dämpfung im Meer ca. 98dB bei 400KHz. Da ich aber nicht 
weiß, auf was sich dieses dB bezieht, kann ich mit der Zahl nicht viel 
anfangen.

Die Suche im Internet verlief leider erfolglos, da es recht viele Größen 
gibt um Schallwellen zu bestimmen und ich nicht so recht weiß, welche 
Größen für mich relevant sind.

Autor: Mmmh (Gast)
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>Da ich aber nicht weiß, auf was sich dieses dB bezieht
Und wieso weisst Du das nicht?
Lies doch einfach nach der Zahl weiter.
Da steht, wie es sich gehört die Einheit.

Autor: hela (Gast)
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>Und wieso weisst Du das nicht?
Die Frage ist berechtigt. Wenn du dich schon mit einem akustischen 
Messgerät befassen willst und dann die Maßeinheit deziBel 
[http://de.wikipedia.org/wiki/Bel_(Einheit)] nicht kennst, dann fragt 
man sich echt ob eine Antwort in diesem Thread Sinn hat.

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Also. dB ist die Abschwaechung des Signales. Ein paar Werte
1kHz : 0.058dB/km = 1.3%
3kHz : 0.144dB/km = 3.3%
10kHz : 0.756dB/km = 19%
30kHz : 5.513dB/km =  3.3 mal
100kHz : 30dB/km  = 1000 mal
300kHz : 78dB/km  = 63millionen mal

Wie man sieht ist die Abschwaechung des signales bei hohen Frequenzen 
rabiat. Es macht wenig sinn Kilowatt zu verballern wenn milliWatt auch 
passen. Zudem braucht man auch keinen Dauerschall, sondern ein Impuls 
sollte genuegen.

Autor: Stefan (Gast)
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Die Einheit Dezibel kenne ich sehr wohl. Nur konnte ich es nicht 
glauben, dass vom Signal nur noch ein 6,3Mrdstel überig bleibt. Weitere 
Überlegungen bei deiser Frequenz erübrigen sich damit...

Autor: STK500-Besitzer (Gast)
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>Um Meeressäuger nicht zu stören möchte ich jedoch Frequenzen im
>Bereich >300KHz verwenden.
Das wird, wie "Nebliger Tag" schon schrieb, nichts.

>Zudem braucht man auch keinen Dauerschall, sondern ein Impuls
>sollte genuegen.

Es gibt sogar wirklich hydroakustische Wandler, die den Doppler-Effekt 
ausnutzen.

Autor: Stefan (Gast)
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Ich hatte nicht vor einen Dauerton zu senden, allerdings wollte ich auf 
Nummer sicher gehen. Jetzt werde ich eher im Bereich 40KHz bleiben. 
Kennt jemand einen Händler für Ultraschallsender und Empfänger für den 
Unterwassereinsatz?

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Je hoeher die Frequenz, desto hoeher die Richtwirkung des Senders und 
auch des Empfaengers. Fuer das Konzept allenfalls wichtig ist die 
Konfiguration. Ist es ein Sender, ein Empfaenger, oder zwei Stationen, 
die beides koennen ? Sind die beiden Stationen kooperativ? Welche 
Hintergrundgeraeusche sind zu erwarten ? Allenfalls ist das gewuenschte 
Frequenzband schon "zu".
Mit einem signal hat man noch keine Laufzeit. Woher nimmt man die 
Laufzeit ?
Man koennte zB die beiden stationen mit einem Funksignal 
synchronisieren, der Sender sendet ein Datenpacket gleichzeitig per Funk 
und per Wasser, man koennte die beiden Stationen per GPS-Zeit 
synchronisieren. Oder ein Empfangenes Schallsignal wird sofort als 
Schall zurueckgesandt. Wenn das Frequenzband hinreichend leer ist, 
sollten ein Burst mit ein paar Schwingungen genuegen.

Autor: Stefan (Gast)
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Gedacht war das ganze so: Sender_1 sendet einen Impuls auf einer 
bestimmten Frequenz aus. Dieser wird von Sender_2 unter Wasser empfangen 
und dieses Gerät sendet auf einer anderen Frequenz zurück (um Fehler 
wegen Reflexionen o.ä. zu umgehen). Somit kann man die Zeit die 
vergangen ist messen und die Strecke zwischen Sender_1 und Sender_2 
berechnen.

Das Problem ist, das das ganze zum Finden einer Unterwasserkamera 
gedacht ist, die Bilder von Meerestieren aufzeichnen soll und wir diese 
durch die Ortung natürlich nicht verscheuchen möchten.

Allerdings gibt es ja auch diese "Fischfinder". Diese senden ein 
Ultrschallsignal aus um Fische unter der Wasseroberfläche zu Orten, sind 
ungefähr so groß wie eine Taschenlampe und senden angelbich Impulse mit 
einer Leistung von 600-1000W (Frequenz >210KHz). Ich kann mir zwar nicht 
so recht vorstellen, wie diese Leistung aus 8 AA-Batterien kommen soll.

Wieviel Watt Schallleistung braucht man um ein Signal noch ausreichen 
auswerten zu können? Bei 220KHz kommt am Empfänger in einem km 
Entfernung nur noch ein 316tausenstel an, aber wenn ich mit 300W senden 
würde und 1mW Schallleistung zur Auswertung genügen würde...

Autor: Eddy Current (chrisi)
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Während hier diskutiert wird, lacht sich der Nachrichtentechniker ins 
Fäustchen:

- Welche Genauigkeit soll die Messung liefern?
- Im Prinzip kannst Du auch ein Signal, das 100dB abgeschwächt wird, 
wieder aus dem Rauschen "herausholen", Stichworte Lock-In Verstärker, 
Korrelationsempfänger, synchrone Demodulation.

Unterm Strich ist die Lösung ein Kompromiss aus Genauigkeit und 
Messfrequenz: Eine höhere Frequenz reduziert wegen der steigenden 
Dämpfung die Genauigkeit. Der Impuls muss nur lange genug dauern, um ihn 
zu detektieren.

Autor: STK500-Besitzer (Gast)
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>Das Problem ist, das das ganze zum Finden einer Unterwasserkamera
>gedacht ist, die Bilder von Meerestieren aufzeichnen soll und wir diese
>durch die Ortung natürlich nicht verscheuchen möchten.

Schon mal was vom IFM-GEOMAR in Kiel (auch Leibniz-Institut für 
Meereskunde) gehört?
Die haben schon diverse "Lander" versenkt und wiedergefunden...

Autor: Bernd Hallinger (bhallinger) Benutzerseite
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Warum soll eine Leistung von 800W nicht aus AA Batterien kommen?
Es ist doch nur eine Frage des Tastgrades.

Wenn man z.B. Alle 10 Sekunden für 10mS sendet. Ergibt das grad mal 
0,8W.

Und bei einigen hundert KHz ist 10ms senden doch schon recht lang.

Zur Frequenz, die Bundeswehr setzte bis vor einegen Jahren noch ein 
alten Mienenjagd Sonar ein. Dort wurden die Minien aus großer Entfernung 
(400 - 600 Yard)
mittesl Sonar bei 100 KHz geortet. Zur Klassifizierung wurde dann aus 
kleinerer Entfernung 200 Yard mit 300 KHz gearbeitet. Die Pulsdauer war 
so um 100µS.
Aber die Leistung lag schon auch hier im KW Bereich. Und es wurde mit 15 
Schwingern gerichtet gearbeitet.

U-Bootjagd Sonare arbeiten im hörbaren Frequenzbereich. (Man hört ja in 
den Filmen das bekannte Ping. In der Realität eben auch)

Dafür sind dort wesentlich höherer Reichweiten bis einige Meilen 
möglich.

Autor: Ulrich (Gast)
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Wenn es darum geht etwas wiederzufinden, wäre es vielleicht besser den 
Empfänger gerichtet zu machen, statt die entfernung über die Laufzeit zu 
messen. Eine grobe Größe für die Entfernung hat man ja schon durch die 
Amplitude.

Man muß noch bedenken das zu der Dämpfung auch die ganz normale 
quadratische Abnahme der Amplituden mit dem Abstand dazukommt. Da darf 
die Dämpfung durch das Wasserselber auch ein bischen sein.

Etwas Dämpfung ist ja auch postiv: man bekommt weniger Echos und weniger 
Untergrundgeräusche.  Unterwasser Mikofone können sehr Empfindlich sein, 
vermutlich auch noch im Ultraschallbereich.

Autor: Stefan (Gast)
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>Warum soll eine Leistung von 800W nicht aus AA Batterien kommen?
>Es ist doch nur eine Frage des Tastgrades.

Ich dachte dabei eher an den Innenwiderstand der Batterien. Aber 
offenbar ist es ohne Probleme möglich.

>Unterm Strich ist die Lösung ein Kompromiss aus Genauigkeit und
>Messfrequenz: Eine höhere Frequenz reduziert wegen der steigenden
>Dämpfung die Genauigkeit. Der Impuls muss nur lange genug dauern, um ihn
>zu detektieren.

+/-10% sollten es schon sein.

Wo könnte ich Ultrschallsenosren kaufen? Ich habe keine gefunden, die 
für den Einsatz unter Wasser bestimmt sind. Eventuell einen Fischfinder 
zerlegen?

Autor: STK500-Besitzer (Gast)
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>Wenn es darum geht etwas wiederzufinden, wäre es vielleicht besser den
>Empfänger gerichtet zu machen, statt die entfernung über die Laufzeit zu
>messen. Eine grobe Größe für die Entfernung hat man ja schon durch die
>Amplitude

Annahme: Die Kamera liegt in 500m Tiefe und hat eine Beambreite von 10° 
(OK, das ist schon ziemlich gerichtet), dann kann es passieren, dass man 
an dem Ding einfach mal vorbeifährt.
Uboote hatten früher Einrichtungen, die einfach nur eine Art Hammer 
gegen den Rumpf "donnern" ließen - solch ein Signal hat eine 
Kugelcharakteristik und ist weit zu hören (da auch sehr niederfrequent).
Peilbar ist es auch, wenn man mehr als einen Empfänger benutzt...

Autor: Markus K. (markus-)
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Stefan schrieb:
> senden angelbich Impulse mit
> einer Leistung von 600-1000W (Frequenz >210KHz). Ich kann mir zwar nicht
> so recht vorstellen, wie diese Leistung aus 8 AA-Batterien kommen soll.

Das ist doch sicher nur Impulsweise. Dazu lädt man einfach einen 
Kondensator auf und entlädt den schlagartig wieder. Typischerweise 
kommen dabei noch Spannungswandler dazu, d.h. dass man den Kondensator 
z.B. mit 100V lädt und hat dann entsprechend mehr Leistung.

> Wieviel Watt Schallleistung braucht man um ein Signal noch ausreichen
> auswerten zu können?

Wenn die Welt rauschfrei wäre, dann könnte man beliebig schwache Signale 
empfangen. Das ist sie nicht, aber es gibt viele Wege, das 
Signal-Rauschverhältnis zu verbessern. Das hat Eddy Current ja schon 
angedeutet.

Autor: Stefan (Gast)
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>Wenn die Welt rauschfrei wäre, dann könnte man beliebig schwache Signale
>empfangen. Das ist sie nicht, aber es gibt viele Wege, das
>Signal-Rauschverhältnis zu verbessern. Das hat Eddy Current ja schon
>angedeutet.

Das ist schon klar. Darum habe ich ja gefragt, "wieviel Schallleistung 
noch ankommen muss, um das Signal noch ausreichend verarbeiten zu 
können."
Ich dachte dabei eher an Erfanrungswerte die ausreichen müssten.

Autor: Andreas Schwarz (andreas) (Admin) Benutzerseite Flattr this
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Eddy Current schrieb:
> - Im Prinzip kannst Du auch ein Signal, das 100dB abgeschwächt wird,
> wieder aus dem Rauschen "herausholen", Stichworte Lock-In Verstärker,
> Korrelationsempfänger, synchrone Demodulation.

Bei einem so zeitvarianten und schmalbandigen Kanal, wie man ihn bei 
akustischer Übertragung unter Wasser hat, ist es völlig aussichtslos 
einen Gewinn von 100 dB rauszuholen.

Autor: Martin Laabs (mla)
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Hallo,

> Bei einem so zeitvarianten und schmalbandigen Kanal, wie man ihn bei
> akustischer Übertragung unter Wasser hat, ist es völlig aussichtslos
> einen Gewinn von 100 dB rauszuholen.

Muss ja auch nicht 100dB sein. Muss ja nur so viel sein, dass am 
Empfänger das SNR für die "Demodulation" reicht. Und in dem Szenario 
"Kamera wiederfinden" sollte der Kanal nicht allzu starkem Fading 
unterzogen sein. Wenn man also eine inkoheränte Modulation/Demodulation 
wählt könnte man durchaus ein paar dB Modulations-/Kodierungsgewinn 
erzielen.

Man müsste mal die Wellenlänge des Signals gegenüber der 
Wellenabmessungen (auf der Wasseroberfläche) abschätzen ob die Wellen 
(die vom Wind) die Phase (des Signals) stark beeinflussen oder ob man 
den Effekt vernachlässigen kann.

Viele Grüße,
 Martin L.

Autor: Mmmh (Gast)
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>Man müsste mal die Wellenlänge des Signals gegenüber der
>Wellenabmessungen (auf der Wasseroberfläche) abschätzen ob die Wellen
>(die vom Wind) die Phase (des Signals) stark beeinflussen oder ob man
>den Effekt vernachlässigen kann.

Ist das Dein Ernst?

Autor: Eddy Current (chrisi)
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@Andreas Schwarz
Mag ja sein, allerdings läßt sich durch Wahl der richtigen 
Ausgangsleistung, Frequenz und Verstärkung mehr herausholen als einfach 
nur der Schwenk auf 40kHz.

Alleine, wenn er statt bei 400kHz auf 300kHz arbeitet, beträgt der 
"Gewinn" 25dB. Man muss es sich ja nicht selber schwer machen. Ist es 
ein Zufall, dass die Fishfinder eben sehr wohl knapp über der Hörgrenze 
der Meeressäuger arbeiten? Und die hohe Ausgangsleistung braucht er 
nicht, weil er kein Echolot bauen will sondern eine "einfache" 
Übertragungsstrecke.

Autor: Martin Laabs (mla)
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[Wellenlänge]

> Ist das Dein Ernst?

Ich bin im Metier US nicht so bewandert weswegen mir die Wellelängen 
auch in grober Abschätzung nicht auswendig bekannt sind. Aber ja - die 
Wellenlänge liegt bei 400Khz bei ca. 3.5mm. Damit ist die 
Phaseninformation auch nicht mehr grob zeitinvariant.

Viele Grüße,
 Martin L.

Autor: Bernd Hallinger (bhallinger) Benutzerseite
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Die Ausbreitungsgeschwindigkeit im Wasser beträgt je nach Temperatur und 
Salzgehalt so um 1420m/s

Die Wellen länge läßt sich daraus ja dann ableiten....

Autor: Stefan (Gast)
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Kann mir jemand einen Händler für Ultraschallsensoren für den 
Unterwasserbetrieb nennen?

Außerdem sollte ich auch wissen wie ein solcher Sender betrieben wird, 
kennt jemand dafür eine gute Quelle?

Ich werde mich in nächster Zeit mit diesem Thema befassen und möchte 
auch einige Tests machen.

Autor: STK500-Besitzer (Gast)
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Wo kommst du denn her?

Autor: Stefan (Gast)
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Ich komme aus Österreich.

Autor: Peter L. (peterl)
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http://www.prowave.com.tw/english/index.htm
Vertretung in De: Unitronic Gmbh

Autor: Peter L. (peterl)
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habe übersehen, du willst 360Grad Abstrahlung, das gibts meines Wissens 
nur im unteren Frequenzbereich (bis 125kHz) für Ultraschallreinigung.

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo Stefan,

> Kann mir jemand einen Händler für Ultraschallsensoren für den
> Unterwasserbetrieb nennen?
Eine gute (Ein-Mann-)Firma für Ultraschallsensoren ist beispielsweise 
die Firma http://www.richterstt.de/

Es wäre von Deiner Seite jedoch noch einiges zu tun, da Du einander 
widersprechende Anforderungen an den Schallwandler hast:

Denn einerseits soll der Schallwandler eine Kugelcharakteristik haben, 
was eine kleine Abstrahlfläche im Vergleich zur Wellenlänge erfordert. 
Andererseits willst Du Schallwellen mit großer Amplitude abstrahlen, was 
eine große Abstrahlfläche erfordert.

Du kannst Dir ja mal unter
http://de.wikipedia.org/wiki/Sonografie#Das_Schall...
ein typisches Schallfeld eines Ultraschallwandlers ansehen.

Die Verringerung des Empfangssignals wird von zwei Größen beeinflußt:
- dem Auseinanderlaufen der Schallwellen entsprechend einer 1/r^2 
Charakteristik (im Fernfeld)
- der Dämpfung im Wasser entsprechend einer Exponentialfunktion

Die Exponentialfunktion hat bei großen Entfernungen i. a. den größeren 
Einfluß, und Du hast Dich offenbar schon informiert und herausgefunden, 
daß Du bei kleinen Frequenzen weniger Dämpfung hast. (Einfache 
Dämpfungsmodelle gehen von Dämpfungen in der Einheit dB/(MHz cm) aus.

An Deiner Stelle würde ich wahrscheinlich einen Ultraschallwandler aus 
einem Kompositmaterial verwenden und eine konkave Krümmung 
(Kugelcharakteristik) anwenden. Das ist eine Spezialanfertigung und 
daher nicht ganz billig. Piezokompositmaterialien bestehen aus 
spaghettiförmigen PZT-Stäbchen, die in eine Polymermasse eingebracht und 
anschließend durch Aushärten des Polymers fixiert werden. Sie sind 
biegbar und akustisch gut an Wasser angepaßt. Der Wandler muß aufgrund 
der geringen Signalfrequenz und der erwünschten großen Sendeleistung mit 
hohen Spannungen (Größenordnung: 1000 V) betrieben werden. (Kleine 
Signalfrequenz --> dicke PZT/Polymer-Scheiben --> geringe Feldstärken). 
Zur Erhöhung der Sendeleistung würde ich Chirpsignale andenken. Für 
Unterwassermessungen bis zu mehreren Hundert Metern sind Frequenzen im 
Bereich 100 kHz typisch, vielleicht auch darunter.

Gruß,
  Michael

Autor: Stefan (Gast)
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Wäre es nicht einfacher, statt einem kugelförmigen Sender z.B. 4 
Einzelsender zu verwenden, die jeweils 90° abdecken?

Da die Tiefe des Objekts bekannt ist, würde es ja auch genügen, wenn der 
Sender kreisförmig in einer Ebene sendet und nicht sinnlos Energie in 
die Tiefe und an die Wasseroberfläche verschwendet.

Autor: Michael Lenz (hochbett)
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Hallo Stefan,

> Wäre es nicht einfacher, statt einem kugelförmigen Sender z.B. 4
> Einzelsender zu verwenden, die jeweils 90° abdecken?
Das ist wahrscheinlich besser. Ich ging von einer Kugelcharakteristik 
aus, da Du eine Abstrahlung "kreisförmig in alle Richtungen" haben 
wolltest.
Wenn Du nur in eine Ebene senden willst, kannst Du auch einen Wandler 
mit Zylinderkrümmung verwenden (Wandler geht um ein dickes Rohr herum).

Wellenlänge bei 100kHz: lambda = c/f = 1500/100000 m = 15 mm.


Gruß,
  Michael

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