Colimación de un haz de sonar

Me pregunto si alguien conoce una forma de hacer que se modifique un sensor de proximidad ultrasónico, de modo que su rango de línea de visión delantera no se vea afectado, pero su dispersión angular se reduce, algo en el sentido de "colimador" (en términos de ligero). Para explicar el problema, he estado experimentando con el sensor el-cheapo HC-SR04, tratando de detectar el nivel de agua en un cubo de plástico (25 ltr vol.). Si bien no estoy 100% seguro, pero creo que el diámetro de la cubeta es un problema, incluso cuando el nivel de agua es bajo (alrededor de 18 a 19 pulgadas del sensor), obtengo una lectura que se traduce en alrededor de 8 pulgadas. La única explicación que tengo es que el sonar está leyendo las ondas que rebotan en las paredes del balde.

Me preguntaba si algún tipo de colimador construido con material absorbente de sonido podría funcionar. Intentaré experimentar con espuma de baja densidad (tal vez espuma de poliestireno), pero no estoy muy seguro de si realmente absorbe el sonido.

¿Está el conjunto del transductor conectado a la cubeta? Solo pensando que el reflejo podría estar subiendo por el costado del balde.
Además de todo lo demás, asegúrese de tener conexiones eléctricas limpias, especialmente un suministro de baja impedancia.
@PeterJ, actualmente tengo el transductor en mi mano con alineación manual a lo largo del eje central del balde, y aproximadamente una pulgada por encima del nivel del borde.
@ícaro ¡No! Use Helping Hands o algún tipo de soporte para sostener el sensor, de lo contrario, el movimiento de su mano estropeará las lecturas.

Respuestas (2)

Coincidentemente, estoy jugando con casi precisamente a lo que se refiere la pregunta, desde ayer. Mi unidad de sensor de distancia cuenta con un ángulo de 25 grados, pero enfrenté los mismos problemas con mi balde de agua.

Es posible que mi solución no sea una maravilla de la ingeniería, y probablemente habrá alguna reacción de los puristas, pero esto es lo que funciona:

  • La unidad del sensor se coloca apuntando directamente a un tubo de cartón blando de aproximadamente 2 pulgadas de diámetro y 8 pulgadas de largo, el núcleo de un rollo de papel de cocina: esto reduce significativamente los ecos falsos de los lados. Tanto TX como RX están dentro del tubo.
  • Un par de pliegues de papel de seda sobre el emisor ultrasónico TX, para atenuar la señal ultrasónica externa.

Este último era necesario porque el HC-SR04 no proporcionaba una forma sencilla de reducir la señal de salida y era lo suficientemente fuerte como para generar falsos positivos en todas las direcciones: la reducción del voltaje de suministro no hizo mucha diferencia hasta que en un punto el módulo se volvió errático.

Ahora tengo bastante precisión en la medición de la profundidad del agua en mi balde, desde varias alturas.

[Editar] No puedo creer que esté haciendo esto: ¡Fotos de mi experimento, en mi baño, a pedido de los comentarios!

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La versión mejorada ahora tiene dos tubos de cartón, para TX y RX respectivamente - Incluso mejor precisión y ya no se necesita papel tisú. El arreglo se mantiene unido con bandas elásticas, porque la cinta adhesiva para conductos aprobada por ingeniería no es útil. Está colgando de la pinza de cocodrilo de un soporte de soldadura Helping Hand.

La placa de circuito en la parte superior es el sensor ultrasónico, la placa de circuito que cuelga es un clon de Arduino Nano. El objeto circular azul en la parte inferior de la imagen es la cámara de detección de profundidad oficial, es decir, mi balde.

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El TX y el RX encajan perfectamente centrados, uno en cada tubo de cartón.

En el borde izquierdo está el representante oficial del Departamento de Ingeniería, o al menos la punta de los dedos de dicha persona, yo.

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Así es como se ve la configuración desde un lado, en caso de que eso ayude a visualizar mejor el arreglo.

Espero que este show-and-tell haya sido útil.

¿Qué tal usar un tubo más estrecho, duro e impermeable, como una sección de tubería de PVC? Haz que el tubo sea lo suficientemente largo como para adherirse físicamente al agua. En el otro extremo, coloque el sensor. El propio tubo actuaría como una versión acústica de un tubo de luz, guiando el haz. En el extremo del sensor, es posible que pueda colocar una membrana delgada (¿una envoltura de plástico para alimentos?) entre el sensor y el tubo para ayudar a mantener el agua fuera del sensor y del papel de seda. Bueno, es solo un pensamiento...
@Anindo, ¡increíble coincidencia de verdad! Creo que puedo visualizar sus modificaciones, y por la idea del colimador era algo similar, aunque mis aprensiones eran, ¿qué impide que el tubo de colimación sea el objeto que refleja las ondas de sonido? Tal vez si pudiera compartir algunas fotografías de su modificación, podría ayudar con la comprensión.
Además, @anindo, supongo que tu tubo de cartón no toca el agua, ¿verdad? Mi preocupación con la atenuación de la intensidad de la señal es la pérdida de alcance directo. Supongo que mis requisitos son un poco únicos, en el sentido de que en un caso particular, la profundidad del agua debe detectarse en un tanque de agua cilíndrico sumergido, cuyo diámetro es de aproximadamente 4 pies y la profundidad es de aproximadamente 12 pies. Con un rango de avance máximo de aproximadamente 12-15 pies, la atenuación limitaría severamente el rango.
@DavidKessner Probé con un segmento de tubería de PVC después de ver su comentario: el sensor falla por completo. ¿Supongo que hay demasiados reflejos de la superficie de PVC?
@ icarus74 El cartón blando absorbe la parte de las ondas que inciden sobre él, sería mi suposición. Alguien en Physics StackExchange podría saberlo mejor. Le haré una foto cuando vuelva a casa hoy. No, el tubo no toca el agua. El papel de seda de atenuación puede ser innecesario en su caso: mis experimentos son en un pequeño baño con azulejos, por lo tanto, la reflexión de las señales del eje central es mucho más fuerte. El tubo de cartón, por supuesto, atenúa solo las señales fuera del eje, no las de avance.
@DavidKessner, disculpe mi falta de investigación suficiente sobre la parte de la física, pero ¿un tubo de PVC de, digamos, 3/4 "(o 1"), realmente funciona como una guía de ondas para la frecuencia de audio? ¿Alguna posibilidad de que sufra interferencias con la onda reflejada (fuera de las paredes de la tubería)?
Gracias @Anindo, eso responde mi pregunta a David. Ah, y esta es quizás la pregunta estúpida del día, pero permítanme preguntar descaradamente de todos modos: ¿es correcto que su tubo de cartón tenga el transductor Tx de audio alineado con el eje central del tubo, con el transductor Rx fuera? el tubo ? ¿O el Rx también está dentro del tubo?
@ icarus74 Fotos añadidas, ¡y también con descripciones muy técnicas!
Impresionante uso de binoculares de tubo de cartón :-) ! Necesito pedir prestado algo de mi hijo. Muchas gracias por las fotos y la "descripción altamente técnica". Completamente disfrutado.
@AnindoGhosh ¿Utilizó un solo PVC, con TX y RX en el mismo tubo? Qué lástima, hubiera jurado que funcionaría. Lo único que se me ocurre es que todo tiene demasiada ganancia (no hay suficiente atenuación), porque todo está enfocado en el tubo. Pero podrían ser reflejos fuera del costado.
@DavidKessner Probé tanto simples como "binoculares", similares a mis tubos de cartón. Supongo que la porosidad del cartón funciona como un excelente deflector de sonido para la señal no axial.
@icarus74 La longitud de onda a 40 KHz es de aproximadamente 0,25 pulgadas, por lo que podría haber algunos reflejos en las paredes laterales. Esto podría solucionarse recubriendo las primeras 3-4 pulgadas del PVC con fieltro, pero el fieltro anula todas las supuestas ventajas de la PCB en primer lugar. Parece que este enfoque no es un comienzo.

El ángulo de dispersión de las ondas acústicas en el aire es inversamente proporcional a la frecuencia. En otras palabras, cuanto mayor sea la frecuencia, más "apretado" será el haz. Cualquier "collminador" que haga debe adherirse a estas leyes fundamentales de la física. Sin embargo, no creo que este sea tu problema.

La unidad de sonda que está utilizando tiene un ángulo de medición de 30 grados (+/-15 grados desde la línea central). Haciendo los cálculos, a 19 pulgadas sobre el agua tendrá un área de medición de aproximadamente 10 pulgadas de diámetro. Eso es apenas más pequeño que el diámetro del fondo de un balde de 5 galones. En resumen, debería funcionar.

Puede probar fácilmente si los lados del cubo interfieren con sus medidas. Forra los costados de la cubeta con algo suave pero de alta densidad, como una manta, un suéter o varias capas de toallas. Luego, vea si puede detectar algo reflectante en la parte inferior (como la parte inferior misma).

La espuma de poliestireno no produce una buena absorción del sonido, especialmente en las frecuencias más altas en las que operan los dispositivos ultrasónicos. La espuma de poliestireno tiene una superficie relativamente dura y plana que refleja bien el sonido. También tiene poca masa para ayudar a evitar que el sonido se propague a través de él. Las mantas de lana, el fieltro grueso, el terciopelo grueso y materiales similares son buenos. Debo señalar que los materiales que son buenos para absorber el sonido también son muy buenos para absorber AGUA.

gracias david Sin duda lo intentaré con fieltro y manta, sí, la absorción de agua sin duda sería un problema.
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