mikrocontroller.net

Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Abstandsmessung mittels Schall


Autor: Peter T. (ediff)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo!

Ich versuche mit zwei Messmikrofonen über ein Phasenlaufzeitverfahren 
den Abstand zwischen zwei Mikrofonen zu bestimmen. Bei den Mikrofonen 
handelt es sich um folgende: 
http://www.roga-messtechnik.de/sensorik/messmikrofon-mi-17.html
Bei der Auswertung erhalte ich zwar eine konstante Phasenverschiebung, 
woraus sich der Abstand berechnen lässt.. aber die Verschiebung passt 
zum einen nicht, und zum anderen ist diese frequenzabhängig.
Was mir dabei aufgefallen ist: Verschiebe ich die beiden Mikrofone in 
Bezug auf die Tonquelle gemeinsam, also deren Abstand bleibt gleich, so 
ändert sich die gemessene Phasenverschiebung.. Die Frequenz an beiden 
Mikrofonen ist gleich, die Phase sollte sich ja eigentlich auch nicht 
verändern. Was könnte diesen Effekt auslösen?
Falls noch Daten bezüglich Hardware oder sonstigem benötigt werden, 
bitte kurz schreiben.

Viele Grüße

Autor: Magnus M. (magnetus) Benutzerseite
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Stichwort Reflektion.

Autor: min (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Man misst doch mit den Mikrophonen nur den Abstand zur Schallquelle, 
nicht den Abstand der Mikrophone untereinander.

Autor: Luggi F. (luggi_f)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo!

Das geht wunderbar, indem man die Kreuzkorrelation der beiden Signale 
berechnet und schaut, wo das Maximum liegt.
Dann lässt sich über die Samplefrequenz und die Schallgeschwindigkeit 
auf den Abstand schließen. Wunderbar geht das z.B. mit einem Diracimpuls 
oder mit dekorreliertem Rauschen.

Bei Interesse, ich hätte da noch irgendwo ein Octaveskript...

Autor: Magnus M. (magnetus) Benutzerseite
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Magnus M. schrieb:
> Stichwort Reflektion.

Mipft.... sollte natürlich Refexion heißen :)

Autor: Kolja (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Magnus M. schrieb:
> Magnus M. schrieb:
>> Stichwort Reflektion.
>
> Mipft.... sollte natürlich Refexion heißen :)

Aller guten Dinge sind drei. Versuch's nochmal, dann klappt's :-)

Autor: Max M. (jens2001)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Peter T. schrieb:
> zum anderen ist diese frequenzabhängig.

Ja was den sonst!?

Autor: Peter T. (ediff)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo zusammen,

schon einmal vielen Dank für die vielen Antworten!
Die Berechnung mittels Kreuzkorrelation war angedacht, aber die 
Erzeugung des Impulses war bisher eher das Problem. Die 
Lautsprechermembran schwingt deutlich nach und die erzeugten Impulse 
haben sich angehört, als würden sie dem Lautsprecher nicht unbedingt gut 
tun.. Daher wollte ich die Phasenlaufzeit zweier Sinus-Signale 
berechnen.
Bei der Messung mit zwei Mikrofonen gab es zudem keine Probleme bei der 
Synchronisation der Signale. Daher würde ich es doch gern auf diese 
Weise lösen, gern auch mit der Kreuzkorrelation :)
Haben die Reflexionen dabei weiterhin einen Einfluss, oder kann es dabei 
vernachlässigt werden?

Grüße

Autor: Magnus M. (magnetus) Benutzerseite
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Kolja schrieb:
> Magnus M. schrieb:
>> Magnus M. schrieb:
>>> Stichwort Reflektion.
>>
>> Mipft.... sollte natürlich Refexion heißen :)
>
> Aller guten Dinge sind drei. Versuch's nochmal, dann klappt's :-)

Hall / Echo  :)

Autor: Max M. (jens2001)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Peter T. schrieb:
> Phasenlaufzeit zweier Sinus-Signale
> berechnen.

> Haben die Reflexionen dabei weiterhin einen Einfluss, oder kann es dabei
> vernachlässigt werden?

Ja was denkst den du?

Autor: fpga (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
> Haben die Reflexionen dabei weiterhin einen Einfluss, oder kann es dabei
> vernachlässigt werden?

Hast du einen leeren Flugzeughangar? ;)

Gruß J

Autor: MaWin (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Peter T. schrieb:
> Bei der Auswertung erhalte ich zwar eine konstante Phasenverschiebung,
> woraus sich der Abstand berechnen lässt.. aber die Verschiebung passt
> zum einen nicht, und zum anderen ist diese frequenzabhängig.

Nun, die ZEITLICHE Verschiebung sollte gleich bleiben, aber bei 
steigender Frequenz wird damit der Phasenwinkel immer grösser.

> Verschiebe ich die beiden Mikrofone in
> Bezug auf die Tonquelle gemeinsam, also deren Abstand bleibt gleich, so
> ändert sich die gemessene Phasenverschiebung

Hmm, Sender(Lautsprecher), Mikro1 und Mikro2 alle auf einer Linie und im 
Freifeld bzw. schalltoten Raum ?

Autor: Peter T. (ediff)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo,

die Messung soll später in einem gasdurchströmten Rohr stattfinden.. :o
Sender und beide Empfänger befinden sich dabei auf einer Linie. Wie 
lässt sich bei dieser Konstellation denn die Zeitverschiebung messen?

Viele Grüße

Autor: Wolfgang (Gast)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Peter T. schrieb:
> die Messung soll später in einem gasdurchströmten Rohr stattfinden.. :o
> Sender und beide Empfänger befinden sich dabei auf einer Linie.

Und die Position von Sender und Empfängern ist variabel? Oder geht es um 
die Messung der Strömungsgeschwindigkeit?

Beschreibe einfach mal das echte Problem unabhängig von deinem 
messtechnischen Ansatz, evtl. gar mit einer Skizze des Aufbaus ;-)

Autor: Peter T. (ediff)
Datum:
Angehängte Dateien:

Bewertung
-1 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo,

es soll tatsächlich die Schallgeschwindigkeit des Gases gemessen werden, 
da dadurch Rückschlüsse auf die Gaszusammensetzung getroffen werden 
können. Das soll später in der Regelung eines Verdichters (das Kennfeld 
ändert sich abhängig vom Gas) berücksichtigt werden.

Die Messung ist erst einmal nur ein reiner Versuchsaufbau, daher ist die 
Anordnung der Mikrofone und des Lautsprechers frei wählbar. Das ganze 
muss nur in einem an beiden Enden offenen Rohr untergebracht werden, da 
dieses von Gasen durchströmt werden muss, die teilweise eine geringere 
Dichte als Luft haben. Eine grobe Skizze habe ich beigefügt.

Viele Grüße

Autor: Max M. (jens2001)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Peter T. schrieb:
> soll tatsächlich die Schallgeschwindigkeit des Gases gemessen werden

UND WARUM SCHREIBST DU DAS NICHT GLEICH???

> Eine grobe Skizze habe ich beigefügt.
Informationsgehalt geht gegen Null.

Welche Abmessungen?
Welche Strömungsgeschwindigkeit?
In welchem Bereich beweg sich die Schallgeschwindigkeit in deinem Gas?

Autor: Peter T. (ediff)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Hallo,

das Testrohr hat einen Durchmesser von 160mm und eine Länge von einem 
Meter. Die Schallgeschwindigkeiten, die zu messen sind, befinden sich 
alle in einem Bereich von 300-400 m/s, mit einer Ausnahme von 970m/s.
Die Strömungsgeschwindigkeit im Versuch wird sehr gering sein und von 
der Mitte des Rohres in beide Richtungen ausgehen, daher sollte diese 
vernachlässigt werden können.

Viele Grüße

Autor: John D. (drake)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Peter T. schrieb:
> Hallo,
>
> das Testrohr hat einen Durchmesser von 160mm und eine Länge von einem
> Meter. Die Schallgeschwindigkeiten, die zu messen sind, befinden sich
> alle in einem Bereich von 300-400 m/s, mit einer Ausnahme von 970m/s.

Das sind ja nur 1886kn, also Mach 2,9...

: Bearbeitet durch User
Autor: Stefan K. (stefan64)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Je nach Gas kann das sogar noch mehr sein:
https://de.wikipedia.org/wiki/Schallgeschwindigkeit

Autor: ● J-A V. (Firma: FULL PALATINSK) (desinfector) Benutzerseite
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Peter T. schrieb:
> Die Frequenz an beiden
> Mikrofonen ist gleich, die Phase sollte sich ja eigentlich auch nicht
> verändern. Was könnte diesen Effekt auslösen?

bleibt die gedachte Linie zwischen den Micros
senkrecht zur Richtung der Schallquelle?
oder sonstwie immer gleich?

mal als Hinweis:
bei 1kHz hat man eine Wellenlänge von ca. 340mm
nicht dass bei Änderung des Abstands der Micros
z.B. 10mm angezeigt werden,
wenn die Dinger mal auf 350mm aus'nander kommen.

: Bearbeitet durch User
Autor: Peter T. (ediff)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Die Schallgeschwindigkeit ist je nach Gas sehr hoch, das hat sie so an 
sich, ja :)
Die zu testenden Gase und Umgebungstemperaturen sind bekannt, daher 
umfasst der zu messende Bereich 300 bis 400 m/s. Die Messhardware hat 
eine maximale Samplerate von 51200 Hz, die zeitliche Auflösung beläuft 
sich also auf 19,5µs.
Die Mikrofone befinden sich immer ein einer Linie, deren Lage zueinander 
ist konstant.
Die gemessene Phasenverschiebung resultiert wohl aus Interferenzen durch 
Reflexionen.. Beim Testaufbau auf dem Tisch lässt sich dieser Effekt 
durch eine Schaumstoffunterlage verringern. Bei der späteren Messung im 
Rohr wird das aber leider nicht umsetzbar sein.

kleine Ergänzung: die Mehrdeutigkeit der Phasenverschiebung wurde 
natürlich beachtet. Die Wellenlänge beträgt 1760mm und ist somit länger 
als der Versuchsaufbau.

Grüße

: Bearbeitet durch User
Autor: Luggi F. (luggi_f)
Datum:
Angehängte Dateien:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Wie bestimmst du denn die Phasenverschiebung, liegt darin vielleicht der 
Fehler?

Ich kann nur nochmal auf die Kreuzkorrelation hinweisen, damit ist die 
Messung ziemlich robust.
Meine Versuche dazu sind zwar schon etwas her, aber ich hab mir das 
nochmal angeschaut. Das verwendete Signal ist da nicht sonderlich 
kritisch, ich habe mich allerdings immer auf einigermaßen nicht 
periodische konzentriert.

Das Bild im Anhang zeigt oben die Kreuzkorrelation der Aufnahme von 2 
Mikrofonen in ca. 6 m Abstand. Das Signal war in dem Fall ein Impuls. 
Zugegeben, die Aufnahme war in einer Studioregie, aber gerade so laut 
dass man den Puls ohne Anstrengung hören kann. Dabei ist es egal, dass 
der Lautsprecher nachschwingt, da das ja auch wieder beide Mikros 
gleichermaßen aufnehmen. Rechts daneben die Ergebnisse der zugehörigen 
Berechnung.

Unten im Bild ist die Korrelation von einem Versuch gerade eben. Dazu 
habe ich mit einem Octave Skript eine kurze Folge von aufgenommenen 
Instrumentaltönen (Waldhorn) am Laptoplautsprecher angespielt (ca. 1s) 
und gleichzeitig am Laptopmikro aufgenommen.
Der Lautsprecher zerrt grauenhaft, es zwitschern die Vögel und ein Auto 
ist vorbeigefahren. Trotzdem ist in der Korrelation deutlich das Delay 
(akustisch und vom Audiotreiber) zu erkennen!

Ansonsten fällt mir für "Beschallung eines Rohres" noch das Kundtsche 
Rohr ein, da geht es u.a. um die Ausbreitung der Welle im Rohr.

Autor: Peter T. (ediff)
Datum:

Bewertung
0 lesenswert
nicht lesenswert
Ich habe bisher eine vorgefertigte Funktion von LabView dafür verwendet.
Das mit der Kreuzkorrelation habe ich vorhin getestet. Dafür gibt es 
ebenfalls eine fertige Funktion... Anders als bei deinem Ergebnis treten 
dort aber auch große negative Funktionswerte auf und das Peak ist auch 
nicht so ausgeprägt, wie bei deinem Anhang. Kann das stimmen?
So in etwa sieht die Kreuzkorrelation meiner zwei gepulsten 
Sinus-Signale aus: 
https://www.mikrocontroller.net/attachment/144814/xcorr.png
Ich habe mich noch nicht so viel damit auseinandergesetzt, aber wenn das 
nicht sein kann, setze ich das ganze händisch um.

Grüße

Autor: Wolfgang (Gast)
Datum:

Bewertung
1 lesenswert
nicht lesenswert
John D. schrieb:
> Peter T. schrieb:
>> Hallo,
>>
>> das Testrohr hat einen Durchmesser von 160mm und eine Länge von einem
>> Meter. Die Schallgeschwindigkeiten, die zu messen sind, befinden sich
>> alle in einem Bereich von 300-400 m/s, mit einer Ausnahme von 970m/s.
>
> Das sind ja nur 1886kn, also Mach 2,9...

Mit Sicherheit nicht Mach 2,9.

Die Mach-Zahl ist die Geschwindigkeit in Einheiten der 
Schallgeschwindigkeit. Und wenn die Schallgeschwindigkeit im Medium 
970m/s beträgt, ist das eben eine Mach-Zahl von 1.

Antwort schreiben

Die Angabe einer E-Mail-Adresse ist freiwillig. Wenn Sie automatisch per E-Mail über Antworten auf Ihren Beitrag informiert werden möchten, melden Sie sich bitte an.

Wichtige Regeln - erst lesen, dann posten!

  • Groß- und Kleinschreibung verwenden
  • Längeren Sourcecode nicht im Text einfügen, sondern als Dateianhang

Formatierung (mehr Informationen...)

  • [c]C-Code[/c]
  • [avrasm]AVR-Assembler-Code[/avrasm]
  • [code]Code in anderen Sprachen, ASCII-Zeichnungen[/code]
  • [math]Formel in LaTeX-Syntax[/math]
  • [[Titel]] - Link zu Artikel
  • Verweis auf anderen Beitrag einfügen: Rechtsklick auf Beitragstitel,
    "Adresse kopieren", und in den Text einfügen




Bild automatisch verkleinern, falls nötig
Bitte das JPG-Format nur für Fotos und Scans verwenden!
Zeichnungen und Screenshots im PNG- oder
GIF-Format hochladen. Siehe Bildformate.
Hinweis: der ursprüngliche Beitrag ist mehr als 6 Monate alt.
Bitte hier nur auf die ursprüngliche Frage antworten,
für neue Fragen einen neuen Beitrag erstellen.

Mit dem Abschicken bestätigst du, die Nutzungsbedingungen anzuerkennen.