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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Mikrofon an Festkörper


Autor: klaus (Gast)
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Es sollen mehrere Mikrofone an eine Zielscheibe (vermutlich aus Holz) 
angebracht werden, um den Einschlag eines Projektils (Pfeil oder Ball) 
feststellen zu können. Welche Mikrofone nimmt man für sowas am besten?

Die Auswertung erfolgt dann per ADC und AVR, wobei ich noch durchrechnen 
muss, ob die Laufzeitunterschiede zwischen den Mikrofonen ausreichen, um 
den Einschlagpunkt zu lokalisieren. Immerhin ist die 
Schallgeschwindigkeit in Festkörpern ja deutlich höher als in der Luft, 
wodurch beispielsweise auch die Abtastrate des AVR-ADC nicht mehr 
ausreicht.

Autor: Friedrich K. (fiete)
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Hey,

das mit der schallgesteuerten Ortsauflösung könnte komplizierter werden, 
als zunächst angenommen. Denn durch Reflexionen an den Rändern kann es 
zu Mehrfachpulsen kommen, wenn das Medium nicht stark genug dämpft. 
Ausserdem breiten sich Longitudinale und Transversale Wellen in Medien 
unterschiedlich schnell aus, wobei das wegen der extrem kurzen Wege 
wegfallen könnte.

In Holz ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls ca. 3km/s das 
bedeutet ca. 3µs pro cm. (überschlagsrechnung).

Ich habe keinen schimmer, wie schnell so ein AD-Wandler ist, aber es 
reicht ja die erste steigende Flanke des Signals zu erkennen.

Aber eine interessante Idee ist das. Gefällt mir.


Gruß, fiete

Autor: André H. (andrekr)
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Das beantwortet aber nicht die Frage. Genausowenig wie mein Kommentar, 
daß die zeitliche Auflösung mit nem TDC wohl kein Problem wäre. ;)

Autor: klaus (Gast)
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> In Holz ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Schalls ca. 3km/s das
> bedeutet ca. 3µs pro cm. (überschlagsrechnung).

Holz ist zu schnell, wie ich sehen musste. Man brächte sehr schnelle 
ADCs und der Datenrate wäre mit einem AVR kaum mehr beizukommen. Gummi 
beispielsweise bietet sich an mit 150 m/s.


> das mit der schallgesteuerten Ortsauflösung könnte komplizierter werden,
> als zunächst angenommen. Denn durch Reflexionen an den Rändern kann es
> zu Mehrfachpulsen kommen, wenn das Medium nicht stark genug dämpft.

Ich gehe mal davon aus, dass man diese herausrechnen kann, entweder in 
Echtzeit oder zumindest, wenn ein Treffer getriggert wurde.


Hauptproblem ist aber nach wie vor: Wie "hört" man in einen Festkörper? 
Welche Mikrofone, wie anbringen, wie verstärken?

Autor: Flo (Gast)
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Kannst ja für die Mikrophone so ne Art "Schwellwertschalter" nehmen, die 
dir dann ab einem bestimmten Schalldruck aufs Mikrophon einfach einen 
Impuls rausgeben.
Dafür braucht man dann keinen ADC sondern nur digitale Eingänge, da sich 
die Position des Einschlags ja nur aus den Laufzeitunterschieden ergibt.
So als Idee.

Autor: Zwölf Mal Acht (hacky)
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Also. Wenn die Anstiegszeit des Signales 3us waere, so muesste das 
"Mikrophon" um die 600kHz Bandbreite haben. Sowas gibt es als Piezo.

Autor: Ulrich (Gast)
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Als "Mirofon" wären piezos die Richtige wahl. Das sind dan mehr 
Ultraschall aufnehmer. Man sollte estwas aufpassen mit der maximalen 
Amplitude die der Sensor verträgt, ich hab schon mal einen mechanisch 
zerstört durch viel zu zur viel "Schall". Es könnte deshalb sinnvoll 
sein ziwschen Platte und sensor noch einen Draht als Schalleiter zu 
habe, um die großen Amplituden bei niedriegen Frequenzen (z.B. 1 kHz) 
schon akustisch rauszufiltern und den Mode einzugrenzen.

Eine alternative wären eventuell magentostrictive aufnehmer. Eine 
besonders hohe Empfindlichkeit oder Amplituden Stbilität ist ja nicht 
mötig.

Die verschiedenen Schalgeschwindigkeiten können ein Problem sein. 
Idealerweise sollten die Mikrone die schnellste Welle messen, denn sonst 
besteht die Gefahr das schnellste Welle mal erkannt wird und manchmal 
erst die langsamere. Bei einer Platte kommen zu Longitudinal- und 
Transversalwellen noch Oberflächenmoden.

Autor: klaus (Gast)
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Wie heissen diese Piezos genau? Ich finde z.B. bei Distrelec nur 
Piezoschall bzw. -signalgeber. Gehen die auch als Mikrofon, natürlich 
entsprechend verstärkt ;-)

Autor: Altiumeer (Gast)
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So als Anregung:

Die Trefferanzeigen auf praktisch allen 300m Schiessständen in der 
Schweiz funktionieren nach diesem Prinzip.

Die Firma die das baut heisst Polytronic.

Vielleicht hilft das was...

Autor: Ulrich (Gast)
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So weit ich das sehen kann passen die Sensoren nicht.  Das müßten 
Sensoren für Ultraschall im Wasser oder Festkörper sein. Entsprechend 
sollte die Bandbreite bis einige MHz gehen, und Breitbandig, nicht 
resonant.

Ein mögliche Herstellerseite wäre die hier:
http://www.piezotechnologies.com/gauging.htm

Das soll keine Werbung sein, sondern ist einfach nur die erte die ich 
gefunden habe.

Eine Stelle wo man sich so was ansehen kann sind z.B. die 
Verzögerungsleitungen aus PAL Fernsehern.  Notfalls auch so ein Teil 
zerlegen - das ankoppeln ist aber nicht einfach.  Das sind als eher 
kleine Teile im Milimeter Bereich.

Autor: Reinhard Kern (Gast)
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Hallo,

zusätzliches Problem (Zitat aus Wikipedia):

"Die Schallgeschwindigkeit erreicht in Holz faserparallel Werte von 4000 
bis 6000 m/s, quer zur Faser nur 400 bis 2000 m/s."

Und was, ergänze ich mal, ist mitm Ast?

Wahrscheinlich brauchst du ein viel homogeneres Material (Pressspan?), 
denn ausgleichen oder rausrechnen kannst du das nicht.

Gruss Reinhard

Autor: Reinhard Kern (Gast)
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Altiumeer schrieb:
> Die Trefferanzeigen auf praktisch allen 300m Schiessständen in der
> Schweiz funktionieren nach diesem Prinzip.

Hallo,

funktioniert das bei Gewehrkugeln nicht vielmehr mit dem Knall, den das 
Geschoss in Luft erzeugt? Da ist aber auf Bälle und Pfeile nicht 
übertragbar.

Geben tut es sowas aber auch für langsame "Geschosse", siehe Tennis. Ist 
aber in der Form nichts für Bastler.

Gruss Reinhard

Autor: Friedrich K. (fiete)
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Also angesichts der Tatsache, dass man den Schall des Aufpralls hören 
kann, muss man sich denke ich um die Bandbreite keine Sorgen machen, 
sodass man sogar einfache Handy-Mikrofone oder ähnliches benutzen 
könnte.

Die Faserrichtung von Holz sollte auch kein Problem sein. Denn man muss 
ja eh eine Eichroutine implementieren, denn die Scheiben verschleißen 
recht schnell - zumindest wenn man sie mit Pfeilen beschießt. Also 
sollte man einen passenden Eichalgorhytmus einrichten, der da eine 
"Streckung" des Targets berücksichtigt.

Bleibt das Problem mit der Zeitauflösung. Es gibt Möglichkeiten deutlch 
höhere Zeitauflösungen zu erreichen, indem man einige Inverter 
hintereinander schaltet. Man gibt ein Startsignal (z.B. Prozessortakt) 
in diese Folge von Invertern. Wenn das Signal am Ende angekommen ist, 
dann beginnt im idealfall der nächste Takt.
Bekommt man nun einen Interrupt (wie man den Triggert, dürfte noch 
auszutüfteln sein) muss man nur herausfinden, bei welchem Inverter das 
Signal stehen geblieben ist.
Ich habe das mal in einer Arbeitsgruppe gesehen. Es kann sein, dass das 
nicht so leicht zu realisieren ist, weil die haben sich ihre Chips 
selber designed, und da ist so eine Folge von Invertern kein Problem. 
Vielleicht kann man die idee modifizieren für die entsprechenden Zwecke.

Gruß, fiete

Autor: Ulrich (Gast)
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Die Nötige Zeitauflösung im Bereich µs ist elektronisch nicht sonderlich 
schwer zu handhaben. Viel µC haben dafür Hardware um Zeiten auf etwa 100 
ns oder genauer zu messen. Man braucht nur 3-4 solcher Kanäle.

Bei Holz hat man noch das Problem, dass dort Ultraschall doch etwas 
gedämpft wird. Man kann also vermutlich nicht mit besonders hohen 
Frequenzen arbeiten und ist dadurch in der Auflösung begrenzt.
Wenn der Ball nicht so hart ist, hat man zusätzlich noch das Problem, 
dass hohe Frequenzen fast nicht angeregt werden. Bei einer entsprechend 
langsamen Flanke die am Mikrofon hat wird es dann schwer die genaue 
Position der Flanke zu bestimmen !

Wenn man wegen der nicht so eindeutigen Flanken dazu übergehen muß das 
ganze Signal per AD wandler und DSP zu bearbeiten, wird es allerdings 
aufwendig von der Hardware und Software.

Autor: Friedrich K. (fiete)
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Man könnte doch einfach einen OpAmp nehmen, ein beliebiges 
Mikrofonsignal nach Vss verstärken und auf diese Weise eine 1 
generieren, die man dann als Interrupt auswertet. Um negative Werte zu 
vermeiden könnte mans ja noch mit ner Diode gleichrichten. Es 
interessiert ja eh nur das Primärsignal, also wenn man für ne Sekunde 
interrupts verbietet (bis die Zielscheibe ausgedämpft ist), sollte das 
doch schon auswertbar sein. Bei Holz zumindest mit cm-Auflösung. Bei 
Bällen reicht das ja schon locker. Bei Pfeilen wirds natürlich knapp...

Autor: klaus (Gast)
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Anstatt sich mit den extrem hohen Schallgeschwindigkeiten in Holz 
herumzuschlagen, könnte man auch den Schall messen, der sich über die 
Luft ausbreitet. Die Mikrofone müssten in diesem Fall auch nicht 
speziell an das Material gekoppelt sein. Immerhin kommt man dann auf 30 
kHz pro Zentimeter. Wenn man auf ADCs verzichtet und das Signal direkt 
in Hardware triggert, sollte das problemlos verarbeitbar sein.

Problematisch ist aber, dass nicht an allen Mikrofonen das selbe Signal 
ankommt, insbesondere die Amplitude dürfte stark distanzabhängig sein. 
Bis also die Schaltschwelle überschritten ist, vergeht je nach Amplitude 
unterschiedlich viel Zeit - ausser das Signal steigt perfekt senkrecht 
oder weit unterhalb der interessierenden Zeitspanne an. Das bezweifle 
ich allerdings, da ja einige Tiefpässe im System sind (Scheibe, Luft, 
Mikrofon, eventuell Triggerschaltung).

Autor: STK500-Besitzer (Gast)
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Schlagzeuger benutzen Piezos als Schallwandler, wobei es dabei überhaupt 
nicht auf die Frequenz ankommt, sondern den Peak, den die Piezo-Keramik 
bei Auftreten eines mechanischen Impulses erzeugt.
Die Herren Musiker benutzen auch gerne MDF-Platte o.ä. mit den Wandlern, 
um sich ein Übungsschlagzeug zu bauen, das die Nachbarn nicht ganz so 
doll nervt...

Wenn man nun also 3-4 Piezo-Keramiken (Piezo-Schallwandler) auf eine 
Holzplatte klebt, sollte man anhand des Laufzeitunterschiedes der Peaks 
zwischen den Wandlern auch den Auftreffpunkt berechnen können.

Das kann man sogar ganz wunderbar rein digital erledigen.
Der AD-Wandler eines AVR wäre eh zu langsam.

Zum Thema "Drum-Trigger" gab es hier im Forum schon eine Diskusion...

Autor: Ulrich (Gast)
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Den Schall in der Luft auszuwerten, wird kaum gehen, denn der Schall 
breitet sich auch in der Platte aus, und wird dann von verschiedenen 
Stellen abgestrahlt. Man bekommt also nicht nur den direkten Weg. Duch 
die höhere Geschwindigkeit im Holz kann der Umweg dabei sogar schneller 
sein.

Die Ultraschallaufnehmer für Festkörper sind Piezos, nur eher etwas 
keiner wegen der höheren Frequenzen.

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