Funktionieren Abstandssensoren unter Wasser?

Erik E. schrieb:
> Soweit ich weiß kommt es im Wasser zu gewissen Reflektionen des die
> dafür sorgen dass man keine klassischen Ultraschallsensoren verwende
> kann.

Was meinst du mit klassischen Ultraschallsensoren?

Eigentlich jedes Schiff hat einen Tiefenmesser, der mit Ultraschall 
funktioniert - nennt sich Echolot.
Reichweite je nach Frequenz und Aufwand 10 Meter bis mehrere Kilometer

Probleme bekommst du bei Datenübertragung wegen Mehrwegausbreitung.

p.s.
Bei den Anglern heißt soetwas Fishfinder

Also könnte man nicht einfach hörbare Frequenzen nehmen und ein normales 
Mikrofon?

Dann baust du vorne einen Unterwasserlautsprecher ein in deinen U-Boot. 
Und dann benötigst du noch so ein drehenden Stab mit zwei Mikrofon. An 
jedem Ende von dem Stab ist ein Mikrofon und er dreht sich um seine 
mittlere Achse. Der Unterwasserlautsprecher macht also ein drdrdrdrdr 
Geräusch, also er sendet immer ein Schallimpuls aus mit einer 
definierten Frequenz, und macht dann für einige Millisekunden Pause. 
Durch die zwei Mikrofone kannst du die Richtung bestimmen, indem du nur 
das Signal auswertest was den richtigen zeitlichen Versatz zwischen den 
zwei Mikrofon hat. Du musst dich dann entscheiden zwischen Auflösung und 
Reichweite. Z.B 50 Messungen die Sekunde ca 7m Reichweite. Vermutlich.

Der Mikrophonstab kann auch eine Pendelbewegung machen.

Die Entfernungsmessung unter Wasser ist mit Ultraschall möglich. Die 
Sporttaucher hatten vor einigen Jahren eine Teildisziplin beim 
Orientierungstauchen, bei der Ziele unter Wasser mit Sonargeräten 
gesucht worden.
Diese Geräte arbeiteten mit einem keramischen Schwinger im 
Frequenzbereich zwischen 250 kHz und 1 MHz, der sowohl das Signal 
aussendete und kurz danach empfangen hat. Diese Schwinger waren in einem 
Messingrohr mit einem speziellen Gießharz eingegossen. Die Schwinger, 
Durchmesser ab 30 mm wurden in Hermsdorf/Thür. in den Keramischen Werken 
hergestellt. Die Anzeige erfolgte mit mechanischem Messwerk, Leuchtzeile 
oder bei den Edel-Bastlern auch mit einer Braunschen Röhre. Mit diesen 
Geräten war es möglich ein Tauwerk mit einer Stärke von 10 mm unter 
Wasser auf eine Entfernung von 30 m zu orten. Anleitungen dazu sind 
seinerzeit in der Taucherzeitschrift "Poseidon" erschienen.

Es ginge wohl - aber es geht nicht:
Die Schallausbreitung im Wasser geht schneller, als in der Luft
das ist zwar nur eine Änderung des Faktors K in der Formel
Echo-Zeit * K = Distanz. Allerdings: Die Dinger sind nicht sonderlich
genau, hätten einen anderen Messbereich (von..bis) und sind NICHT
WASSERFEST!

Würde mich das interessieren (!), hätte ich einen dieser "billigen
Arduino Ultraschall Sensoren" in eine Plastiktüte gepackt und 
Experimente
in der Badewanne durchgeführt. Auch auf die Gefahr hin, dass es nicht
klappt - geht doch nix kaputt dabei!

Aber Eigenes (!) Denken und Probieren ist manchem heutzutage schon
peinlich...

Erik E. schrieb:
> außerdem sollen die Sensoren auch in trübem Wasser
> funktionieren.

- Welchen Abstand sollen die messen
- was ist für dich trübe
- in welcher Umgebung schwimmt (taucht) das Teil
- wie tief ist es unter dem Kiel

Matthias S. schrieb:
> 'grossen' Schwinger von Echoloten arbeiten meist so bei 150kHz und sind
> recht grob, d.h., der Abstrahlwinkel ist nicht besonders schmal.

Jein, kommt auf den Schwinger an. Freuqenzen gibt es diverse. Ein 
Echolot mit kleinem Öffnungswinkel macht keinen Sinn, Sidescan mit 
großem aber auch nicht.

Erik E. schrieb:
> Soweit ich weiß kommt es im Wasser zu gewissen Reflektionen des die
> dafür sorgen dass man keine klassischen Ultraschallsensoren verwende
> kann.

Dann weisst du falsch, wenn auch nicht ganz falsch. Schall wird an 
'Ungänzen' reflektiert, also Bereichen unterschiedlicher 
Schallgeschwindigkeit. Also an anderen Objekten oder an 'Wässern' mit 
sprunghaft unterschiedlichen Eigenchaften. Einer dieser Trennlinie im 
Wasser nennt man auch 'Thermokline'.
https://de.wikipedia.org/wiki/Thermokline

Allerdings tritt dergleichen auf hoher See auf und nicht in den 
Planschgewässern in dem sich Modell-Uboote tummeln. Ebenso die Effekte 
der Konvergenzzone und der Halokline.

Eine andere Frage ist auch, was für Dich 'klassische Ultraschallsensoren 
'sind.

Ein Problem ist die Dichte vom Wasser. Bei einem medizinischen 
Ultraschallgerät ist ein großer Teil der Ultraschallkopfes dazu die 
akustische Impedanz der Piezokeramiken an die Impedanz des Körpers 
(ähnlich Wasser) anzupassen. Machst Du das nicht bekommst du eine 
Totalreflektion am Übergangsmedium.

DoS schrieb:
> Ein Problem ist die Dichte vom Wasser. Bei einem medizinischen
> Ultraschallgerät ist ein großer Teil der Ultraschallkopfes dazu die
> akustische Impedanz der Piezokeramiken an die Impedanz des Körpers
> (ähnlich Wasser) anzupassen. Machst Du das nicht bekommst du eine
> Totalreflektion am Übergangsmedium.

Das ist nicht weiter dramatisch, dazu hat man einen 
Kunststoffvorlaufscheibe. Und da die Dichte von Wasser und menschlichen 
Körper etwa gleich ist, braucht man da nichts völlig anderes zu bauen. 
und da der Sensor ohnehin eingetaucht ist, braucht man kein Koppelmedium 
wie bei der Medizin.

Einfach mal schauen, was die Industrie so im angebot hat:
https://www.directindustry.de/industrie-hersteller/tauch-ultraschallwandler-108162.html

DANIEL D. schrieb:
> Also könnte man nicht einfach hörbare Frequenzen nehmen und ein normales
> Mikrofon?

Je höher die Frequenz, um so besser die Auflesung des Echos.
Insbesondere musst du dir bei Messung kleiner Abstände Gedanken um die 
schnelle Sende-Empfangsumschaltung machen. Nach dem Aussenden ist der 
Empfänger erstmal durch den Sendepuls "geblendet".
Wie groß sind die Abstände, die du minimal messen möchtest?

Was ist ein "normales Mikrofon"?

Für Unterwasser brauchst du einen Schallaufnehmer, dessen akustische 
Impedanz an Wasser angepasst ist, nennt sich Hydrophon (hydro = altgr. 
Wasser). Besonders klein (mikrós = altgr. klein) muss es gewöhnlich für 
den Unterwassereinsatz gar nicht unbedingt sein. Kürzere Wellenlängen 
machen allerdings den Aufbau von gerichteten Sendern/Empfängern 
kompakter.

Wilhelm Wirbel schrieb:
> Allerdings tritt dergleichen auf hoher See auf und nicht in den
> Planschgewässern in dem sich Modell-Uboote tummeln.

Gerade in einem Planschgewässern wird der Schall an Boden und Oberfläche 
reflektiert, so dass es zu Mehrfachausbreitung mit unterschiedlichen 
Laufzeiten kommt, was zu Problemen führt, sobald der Abstand zum zu 
detektieren Objekt in die Größenordnung von Tauchtiefe oder Bodenabstand 
kommt.

Ich habe noch mal nachgedacht anstelle von einem Stab mit 2 Mikrofonen 
welcher sich dreht. Wäre es viel besser 5 Mikrofone welche fest 
eingebaut sind zu verwenden Mitte, Oben, Unten, links, rechts, in die 
Front von dem U-Boot eingebaut. Das mittlere Mikrofon weiter vorne 
eingebaut, und am besten wäre eine Schaltung welche die Mikrofone immer 
genau dann ausschaltet wenn Schall gesendet wird.

Die Schallgeschwindigkeit im Wasser ist zwischen 1400 und 1500 Meter die 
Sekunde.

Das Mikrofon in der Mitte empfängt den Schall immer als erstes. Mit der 
Verzögerung, mit welcher der Schall bei den anderen Mikrofonen empfangen 
wird, kann dann die Richtung bestimmt werden.

Anzeigen lassen kann man sich das mit einem kleinen Display. Je näher 
ein Objekt kommt desto mehr leuchtet dann ein Bereich im Display. Jeder 
Sensor muss erfassen mit welcher Verzögerung der Schal zurückkommt. Und 
wie lange, oder ob er zweimal zurück kommt. Mit diesen Informationen 
müsste man farbige Vektoren auf dem Display darstellen können. Wie bei 
einer Wärmebildkamera, nur mit dem Unterschied eine andere Farbe ist 
eine andere Entfernung.

In der Theorie natürlich alles total einfach :D

DANIEL D. schrieb:
> In der Theorie natürlich alles total einfach :D

Na ja, wenn Du schon mehrere Mikrofone planst, dann gebe doch einmal in 
Google "ultrasound sum and delay" ein. Mit mehreren gleichzeitig 
aufnemenden Mikrofonen bekommt man auch in schwierigen Verhältnissen 
(Unterwasser) ein Bild. Der Algorithmus ist kein Rocketscience.

Wie schon erwähnt, gehen Ultraschallsensoren für Luft nicht für 
Unterwasser. Auch wenn sie "wasserfest" sind, geht es nicht.
Der Grund ist die unterschiedliche Dichte von Luft und Wasser. Das ist 
wie ein Impedanzübergang in der HF. Mit einem 50Ohm Koax Kabel kann man 
einen Dipol nur in der Mitte speisen, nicht am Ende (bezw. nur mit einem 
Anpassnetzwerk)

Einfach in eine wasserdichte Tüte packen geht nicht, die Totalreflexion 
tritt dann an der Grenzfläche Luft/Wasser auf.

Ob man die wasserfesten KFZ-Ultraschallsensoren umbauen kann auf 
direkten Wasserübergang, weiss ich nicht.

Also besser gleich was suchen das schon für Wasser gedacht ist.

DANIEL D. schrieb:
> In der Theorie natürlich alles total einfach :D

Die findest du mit dem Begriff "bistatisch".
https://de.mathworks.com/help/fusion/ug/track-using-bistatic-range-detections.html

So funktionierte auch die Navigation mit Hyperbelnavigationsverfahren 
(LORAN, DECCA) allerdings mit mehreren Sendern und einem Empfänger.

Bastler_HV schrieb:
> Ob man die wasserfesten KFZ-Ultraschallsensoren umbauen kann auf
> direkten Wasserübergang, weiss ich nicht.

Was wenn man Sie einfach in Öl taucht? Machen Yachties doch auch so.

Wolfgang schrieb:
> So funktionierte auch die Navigation mit Hyperbelnavigationsverfahren

Ist das nicht etwas overengeneered wenn man nur wissen will ob das 
Modell- Uboot  in das von Kollegen kracht?

Wolfgang schrieb:
> sobald der Abstand zum zu > detektieren Objekt in die Größenordnung ´
> von Tauchtiefe oder Bodenabstand kommt.

Bei Kollision ist der Abstand 0. Blöd ist nur das Ultraschall - was 
anderes wird wohl schwierig - eine Totzeit hat wenn man Sender und 
Empfänger kombiniert. Das Boot muss auch nur voraus pingen, es sei denn 
es gibt einen Rückwärtsgang.

Da sich bei Kollisionsgefahr der Abstand verringert ist der Algorithmus 
auch nicht allzu schwierig.

Evtl. wäre es auch möglich die Reflexion von Boden oder Wasserspiegel zu 
nutzen und einfach schräg voraus dagegen zu pingen. Dann könnte ein 
Objekt auf Kollisonskurs das stärkste Echo im "Nahfeld" haben.

Wolfgang schrieb:
> Wilhelm Wirbel schrieb:
>> Allerdings tritt dergleichen auf hoher See auf und nicht in den
>> Planschgewässern in dem sich Modell-Uboote tummeln.
>
> Gerade in einem Planschgewässern wird der Schall an Boden und Oberfläche
> reflektiert, so dass es zu Mehrfachausbreitung mit unterschiedlichen
> Laufzeiten kommt,

Ja das stimmt natürlich, ich bezog mich auf die TO-Ansage "Soweit ich 
weiß kommt es im Wasser zu gewissen Reflektionen  ... "

also innerhalb des Mediums und nicht am den Grenzzonen Wasseroberfläche 
und Boden.

Vielleicht spielt der TO aber auch auf Kavitation an, wobei ich jetzt 
nicht wüsste ob das Bauart bedingt ist. Allgemein heisst es dann Energie 
reduzieren. Vielleicht spielt hier der TO auf Ultraschallreinigungsbäder 
an, bei denen das Erzeugen von Bläßchen-bädern durch Kavitation gerade 
das Ziel ist.

Mucky F. schrieb:
> Ist das nicht etwas overengeneered wenn man nur wissen will ob das
> Modell- Uboot  in das von Kollegen kracht?

Man möchte immerhin auch wissen, wo das Boot des Kollegen ist. Wenn es 
einen halben Meter unter dem eigenen ist, wird man das sicher anders 
bewerten, als wenn es einen halben Meter vorm Bug ist.

Mucky F. schrieb:
> Wie wäre es mit einem Vorausecholt?

Hast du eine Bezugsquelle für Ultraschallgeber mit ausreichend enger 
Richtkeule in der Vertikalen und breiter Keule in der Horizontalen, die 
sich kostenmäßig im Rahmen halten?

Kollisionen entstehen nicht nur mit festen Objekten. Wenn sich beide 
Objekte bewegen, ist eine stehende Seitenpeilung das Kriterum für eine 
Kollision. Stumpf nach vorne zu gucken, reicht da nicht.

Rolf M. schrieb:
> Wolfgang schrieb:
>> Kollisionen entstehen nicht nur mit festen Objekten. Wenn sich beide
>> Objekte bewegen, ist eine stehende Seitenpeilung das Kriterum für eine
>> Kollision. Stumpf nach vorne zu gucken, reicht da nicht.
>
> U-Boote bewegen sich in allen drei Raumrichtungen, also muss die
> stehende Peilung auch in Hochrichtung bestehen, damit es kracht.

https://www.youtube.com/watch?v=NcsZ2RE4sAs
Modell-Uboote sind nicht wirklich in Fahrt wenn getaucht, da geht es 
meistens nur runter/rauf.
Und autonom sind diese Konservenbüchsen auch nicht, da steht der Pilot 
am Ufer und steuert von Ferne Kollisions vermeidend. Also Fähnchen am 
langen Draht dran und gut, oder eben Wimpel am ausgefahrenen Periskop.

@Mucky-Fy: Wie kontaktiert man die Piezo-Streifen?