UNIVERSITATEA DUNREA DE JOS - GALAI

SONARUL FUNCIONARE TIPURI

Student: Grigore Daniel Student: Rudi Tudor Grupa: 2223

2010

1. GeneralitiSonarul (englez - SOund Navigation And Ranging) sau hidrolocator, este un aparat destinat descoperirii i determinrii de la suprafa a poziiei obiectelor (epavelor) aflate sub ap, funcionarea sa fiind bazat pe fenomenul de reflexie a undelor ultrascurte. Una din primele funcii a fost determinarea adncimii (distanei pn la fundul apei). Este folosit pe larg n navigaie i la pescuitul industrial. Sonarele i radarele funcioneaz pe baza acelorai principii: un semnal (sonor, respectiv electromagnetic) este emis de robot; semnalul este reflectat de suprafee, se ntoarce la emitor, care msoar timpul ntre emisie i recepie. Cum viteza undei respective este cunoscut, se poate evalua distana pn la suprafaa reflecttoare. Sonarele au marele (i probabil singurul) avantaj de a costa foarte puin n comparaie cu ali senzori. n acelai timp, au o precizie extrem de mic, i sunt sensibile la mediul n care sunt folosite. Anumite materiale reflect undele sonore foarte bine (caz n care exist i pericolul reflexiilor multiple), altele foarte ru (caz n care anumite semnale emise pot fi pierdute). Datorit lungimii de und mult mai mici, radarele nu sunt n general afectate de aceste probleme. ns costul unei uniti radar este mare, are limitri n rezoluie i n precizie. Un emitor sonar transmite un semnal acustic n mediu, urmnd apoi ca reflexia acestuia s fie recepionat de componenta detector a senzorului. Timpul n care semnalul este receptat napoi de senzor precum i atenuarea semnalului reprezint aspect exploatate de diferitele tipuri de senzori sonar. Sunetele transmise de senzorii sonar sunt de regul n spectrul de sunete ultrasonice, avnd o frecven foarte nalt pentru a nu putea fi detectate de urechea uman. Sonarele moderne utilizeaz o frecven normal de lucru de 100 kHz dar, datorit cerinelor diferite privind utilizarea acestora, au fost concepute i sonare cu frecvene de 50 kHz sau de 500 kHz, acestea din urm oferind o rezoluie mai nalt i detalii mai fine. Indiferent de tipul su, un sistem sonar este alctuit din cteva elemente de baz i anume:

traductor ultrason remorcabil cablu de remorcare nregistrator grafic aflat pe ambarcaiunea de la suprafa.

7

2.

Funcionare

Principiul de funcionare al senzorilor sonar a fost mprumutat din lumea animal, att liliecii ct i delfinii folosind aceleai tehnici pentru a localiza i identifica diferitele caracteristici ale unui anumit obiect. Suntele transmise de senzorii sonar sunt de regul n spectrul de sunete ultrasonice, avnd o frecven foarte nalt pentru a nu putea fi detectate de urechea uman. Sonarul depinde de: puterea emitorului i ctigul amplificatorului de recepie, de dimensiunea obiectului reflecttor, textura (reflectivitatea) suprafeei, de orientarea acestei suprafee.

Fig. 1 Funcionarea sonarului activ Undele emise prin ap lovesc obstacolele, corpuri cu densiti diferite de cea a apei, fiind reflectate. Odat reflectate, o parte din acestea ajung din nou la senzor unde sunt tranformate de cristalul de cuartz (receptor) n semnal electric. Semnalul electric este prelucrat rezultnd o imagine electronic, afiat pe display-ul sonarului. Exist mai multe tipuri de sonare, a cror funcionare depinde de modul n care opereaz traductorul ultrasonic: ntr-un singur plan (fie orizontal, fie vertical sau perpendicular pe direcia de deplasare);

7

n dou plane (unul orizontal sau fix i altul vertical sau rotativ).

Piezoelectricitatea

Piezoelectricitatea este caracteristic unor materiale (n special cristalele i anumite ceramici) de a genera un cmp electric sau un potenial electric ca rspuns a unei fore mecanice aplicat asupra materialului. Efectul este utilizat n aplicaii de producerea i detecia sunetului, generarea unei tensiuni nalte, generarea unei frecvene electronice, microbande, i focalizri ultrafine ale ansamblurilor optice. Cristalele piezoelectrice sunt cristale ce transform energia mecanic n energie electric, aceasta reprezentnd efectul piezoelectric direct, iar efectul piezoelectric invers se caracterizeaz prin deformarea mecanic a unor cristale lamelare, cnd asupra lor acioneaza un cmp electric exterior. Cuartz-ul se bucur de proprietatea c i modific volumul la trecerea unui curent electric prin masa acestuia i, invers, genereaz curent cnd asupra sa se exercit o presiune exterioar (efectul piezoelectric). Atunci cnd l alimentam la un curent de nalt frecvent cristalul vibreaz cu acea frecven lund natere o und elastic ultrasunetele.

3. TipuriClasificarea, detectarea i performana de localizare a unui sonar depinde de mediul n care este folosit, echipamentele de recepie i cele de transmisie, n cazul sonarelor active i nivelul de zgomot al unui obiect n cazul sonarului pasiv. Dup principiul de funcionare ele se mpart n dou categorii: active i pasive.

I.

Sonarul activ

7

Sonarul activ utilizeaz un emitor i un receptor de sunet. Cnd cele dou sunt n acelai loc, operaiile sonarul sunt monostatice. Cnd emitorul i receptorul sunt separate operaiile sonarul sunt bistatice. Cnd se folosesc mai multe emitoare sau receptoare vorbim despre operaii multistatice. Cele mai multe sonare sunt utilizate monostatic. Sonarul activ creeaz un puls sonic, deseori denumit ping, apoi ascult pentru refexia (ecoul) pulsului. Acest puls sonic, este n general creat electronic folosind un proiector sonic alctuit dintr-un generator de semnal, amplificator de putere i un traductor electro-acustic. Un formator de fascicule (beamformer) este folosit pentru a concentra puterea acustic ntr-un singur fascicul (beam), care poate fi reglat pentru a acoperi unghiurile necesare de cutare. n general, traductoarele electro-acustice sunt de tipul tonpilz i structura acestora poate fi optimizat pentru a se obine o eficien maxim pentru o lrgime de band mare, n scopul optimizrii performanei sistemului n ansamblu. Pentru a msura distana pn la un obiect, timpul de la emisia unui impuls pna la recepia acestuia este msurat i convertit ntr-un domeniu(scar), cunoscnd viteza sunetului. Sonarele active folosite pentru msurarea distanei de la suprafa pn la fundul apei sunt cunoscute sub numele de ecou de sondare. Sonarul activ este deasemenea folosit pentru msurarea distanei din ap dintre dou transpondere ( repetoare de impuls). Transponder-ul sonarului activ este un dispozitiv care poate transmite i recepiona semnale acustice (pings), dar atunci cnd aceasta primete un semnal acustic de interogare specific, rspunde prin transmiterea unui semnal acustic de rspuns specific. Pentru a msura distana, sonarul activ emite un semnal acustic de interogare i msoar timpul dintre aceast emisie i recepia rspunsului unui alt sonar activ. Diferena de timp, inmulit cu viteza sunetului prin ap i imprit la doi reprezint distana dintre cele dou sonare.Aceasta tehnic, atunci cnd se folosesc mai multe sonare poate calcula poziia relativa a unor obiecte statice sau n micare din ap.

7

Fig.2 Principiul sonarului activ

i) Performanan cazul sonarelor active exist dou limitri de performan, datorit zgomotului i reverberaiilor. n general una dintre acestea va domina, astfel c cele dou efecte pot fi considerate iniial separate. n condiii de zgomot limitat la detecia iniial avem: SL 2TL + TS (NL DI) = DT, unde: SL este puterea emitorului; TL pierderea n cazul transmisiei; TS puterea intei (obiectului); NL nivelul de zgomot;DI ctigului amplificatorului de recepie; DT nivelul de prag. n condiii de reverberaii neglijnd ctigul: SL 2TL + TS = RL + DT, unde: RL nivelul de reverberaii.

ii) Reverberaiile

7

Reverberaiile reprezint un fenomen acustic ce se datoreaz reflexiilor sunetului pe perei, astfel nct la receptor sunetul ajunge de mai multe ori cu foarte mici ntrzieri.

Fig.3 Reverberaii

iii) Analiza datelor unui sonar activDatele sonarului activ sunt obinute prin msurarea pentru o scurt perioad de timp a semnalului acustic detectat dup emisia unei unde sonore (ping), aceast perioad de timp este aleas, astfel nct s se asigure c reflecia undelor (pings) vor fi detectate. Distana pn la fundul mrii sau alt obiect cu proprietate de reflexie acustic poate fi calculat din diferena de timp dintre emisia ping-ului i detectarea reflexiei acestuia (ecou). Alte proprieti pot fi de asemenea obinute din forma de und reflectat a ping-ului. Cnd se colecteaz date de pe fundul mrii, o parte din undele sonore reflectate se vor reflecta din nou la suprafa i vor creea astfel o a doua reflexie a undelor sonore dinspre fundul mrii spre suprafa. Puterea acestui al doilea ecou ofer informaii despre rezonana acustic a suprafeei fundului mrii. Asperitile de pe fundul mrii afecteaz variaia n timp a reflexiei. Pentru o suprafa neted toate undele sonore reflectate vor urma aceeai traiectorie rezultnd un varf ascuit n analiza datelor. Pentru o suprafa cu mai multe asperiti, mai denivelat undele sonore vor fi reflectate napoi pe o suprafa mai mare de fundul mrii, deasemenea unele unde sonore pot vibra nainte de a se reflecta la suprafa. Un vrf mai puin accentuat al reprezentrii datelor sonarului indic o suprafa cu mai multe denivelri.

7

II.

Sonarul pasiv

Sonarul pasiv nu emite unde ci doar recepioneaz undele care se rspndesc prin ap. Operaiile sonarului sunt afectate de viteza sunetului. Viteza sunetului n aer este de 330350 m/s, iar n ap este de aproximativ 1500 m/s. Cunoaterea precis a vitezei sunetului n ap este important ntr-o serie de domenii precum cartografierea acustic a fundului oceanic, aplicaii ale sonarului subacvatic, comunicaii etc. Viteza sunetului n ap depinde de o serie de parametri:

presiune (deci i adncime); temperatur: aproximativ 4 m/s la 1C; salinitate: aproximativ 1 m/s la 1.

Modul n care se comport aceast dependen este complicat, de aceea practic se folosesc formule empirice. O astfel de formul, suficient de simpl i de precis, este cea propus de Kenneth V. Mackenzie n 1981: c(t,s,z) = a1 + a2t + a3t2 + a4t3 + a5(s - 35) + a6z + a7z2 + a8t(s - 35) + a9tz3, unde t este temperatura n grade Celsius, s este salinitatea n pri la mie, iar z este adncimea n metri. Cei nou coeficieni a1, a2, ..., a9 snt: a1 = 1448,96; a2 = 4,591; a3 = -5,30410-2; a4 = 2,37410-4; a5 = 1,340; a6 = 1,63010-2; = 1,67510-7; a8 = -1,02510-2; a9 = -7,13910-13 a7

Pentru parametrii t = 25C, s = 35 i z = 1000 m se obine valoarea vitezei c = 1550,744 m/s. Eroarea de calcul a vitezei n limitele obinuite ale parametrilor este de sub 0,2 m/s. Sistemele cu sonare pasive pot avea baze de date sonice foarte mari , cu toate acestea clasificrile sunt realizate manual de ctre operatorul sistemului. Un sistem informatic folosete frecvent aceste baze de date pentru identificarea diferitelor tipuri de nave, submarine, dar i aciunile acestora.

i) PerformanaSpre deosebire de sonarele active doar o singura metoda de propagare a undelor este implicat. Datorit procesrii diferite de semnal utilizat, semnalul minim detectabil n funcie de nivelul de zgomot va fi diferit. Ecuaia pentru determinarea performanei unui sonar pasiv este: SL TL = NL DI + DT,

7

unde: SL puterea sursei; TL pierderea n cazul transmisiei; NL nivelul de zgomot; DI ctigul amplificatorului; DT nivelul de prag detectat.

III.

Senzorul ultrasonic

Cel mai cunoscut senzor ultrasonic este sonarul, pe lang acesta vom aminti n continuare o serie de utilizri ale senzorului ultrasonic.

i) Senzorul de debit cu ultrasunete

Principiul de funcionare a acestei categorii de senzori are la baz influena vitezei de curgere a fluidului printr-o conduct asupra propagrii undelor ultrasonice. Elementele sensibile ale senzorilor ultrasonici de debit sunt de tip piezoceramic - care folosesc att efectul piezoelectric invers (pentru generarea undelor ultrasonice), ct i efectul piezoelectric direct transversal (pentru recepia undelor ultrasonice care tranziteaz fluidul a crui vitez se msoar). La o excitaie electric de nalt frecven aplicat piezocristalului emitor se genereaz un puls ultrasonic. Dup propagarea prin fluidul din conduct, pulsul - atenuat n amplitudine este preluat de piezocristalul receptor;In continuare este transformat n semnal electric, amplificat corespunztor, comparat cu o amprent memorat n dispozitivul de prelucrare (pentru a avea certitudinea c nu provine de la o surs perturbatoare), dup care se calculeaz timpul de tranzitare a spaiului dintre surs i receptor.

7

Fig.4 Senzorul de debit cu ultrasunete Prelucrarea numeric a semnalelor recepionate de blocul receptor BR se face - ntr-o prim etap - n blocul de comenzi i msurare BC+M, care conine dou numrtoare. Dac ambele semnale recepionate de BR sunt - dup compararea cu amprenta din C recunoscute ca valabile, atunci valoarea debitului este memorat ntr-o locaie temporar de RAM.

ii) Senzorul de nivel ultrasonicPrincipiul de funcionare se bazeaz pe proprietatea undelor ultrasonice de a fi reflectate de suprafaa de separaie dintre dou medii i msurarea timpului de propagare dus-ntors dintre locul de generare a undelor ultrasonice i suprafaa curent la care se situeaz nivelul lichidului. O schem de msurare ultrasonic a nivelului - fig.5 - cuprinde o sond ultrasonic nglobnd un piezocristal emitor/receptor de unde ultrasonice i un pin de referin situat la distana h0 de PCER, rolul lui fiind asigurarea independenei indicaiilor de nivel de viteza de propagare prin mediul n care se face msurarea.

7

Fig.5 Senzorul de nivel ultrasonic Blocul emitor/receptor BE/R asigur comanda PCER i recepia semnalelor reflectate de pinul de referin, respectiv suprafaa lichidului.Semnalul reflectat de pinul de referin reprezint ieirea s1 din filtrul numeric FN. Msurrile ultrasonice de nivel sunt avantajoase ntruct nu au piese n micare sau n contact cu lichidul, nu au nevoie de calibrri la schimbarea lichidului de lucru etc. iii) Senzorul de deplasare liniar cu ultrasunete

Funcionarea acestor traductoare se bazeaz pe msurarea timpului parcurs - dus ntors de un puls ultrasonic de-a lungul unui ghid de und. Schema de principiu a traductorului ultrasonic este prezentat n fig. 6. Elementul sensibil const dintr-un tub senzor, realizat din material feromagnetic, care constituie un ghid de und, protejat cu un material nemagnetic.n interiorul tubului este un fir de cupru pentru aplicarea pulsului ultrasonic. Un magnet circular nconjoar tubul senzor, acesta fiind ataat prii mainii a crei deplasare este msurat. De la generatorul de pulsuri ultrasonice GPUS, pilotat de oscilatorul cu cuar OC, sunt transmise pulsuri pe firul de cupru, care produc cmpuri magnetice n jurul firului, avnd n vedere c tubul senzor este feromagnetic.Magnetul circular mobil genereaz n ghidul de und un cmp magnetic longitudinal.Cnd cmpul magnetic al pulsului electric ntlnete pe cel al

7

magnetului permanent, datorit efectelor magnetostrictive care apar n ghidul de und, se genereaz un puls ultrasonic, care este propagat ctre ambele terminale ale ghidului de und.Pulsul spre dreapta este absorbit de zona de amortizare special construit la acest capt, pe cnd cel din stnga este preluat de amplificator, format n impuls de FI (formator de impulsuri) i comparat n faz (CF - comparator de faz) cu impulsul emitent, diferena - ca faz temporal - fiind transformat n informaie numeric de CAN (convertor analog-numeric de tip durat de impuls - echivalent numeric). Aadar, timpul msurat ntre lansarea unui puls electric i recepia unui puls sonic este o msur direct a distanei dintre sursa pulsului i magnetul circular.

Fig.6 Senzorul de deplasare liniar cu ultrasunete Avantajul acestor senzori este acela c se pot msura distane absolute i nu necesit msuri special de ntreinere.

iv)

Senzori ultrasonici din dotarea roboilor mobili

Categoria de senzori cea mai des ntlnit la un robot mobil o constituie, fr nici o ndoial, categoria senzorilor ultrasonici. ntlnii n literatura de specialitate i sub denumirea de sonar, senzorii ultrasonic folosesc un principiu oarecum asemntor cu senzorii IR, dar n loc de a transmite fascicole luminoase, ei folosesc semnale acustice (sunete). Senzorii ultrasonici sunt unii dintre cei mai utili i eficace senzori din dotarea roboilor mobili. Ei permit msurarea suficient de precis, fr contact, a distanelor fa de alte obiecte

7

din mediu i asigur astfel premizele pentru unele dintre cele mai importante activiti ale roboilor: Identificarea poziiei i orientrii altor obiecte; Identificarea obstacolelor din mediu nconjurtor; Msurarea distanei fa de unele repere;

Fig. 7 Emisia i recepia undelor unui senzor ultrasonic Sensibilitatea unui senzor sonar nu este uniform, ci consist dintr-un lob principal i cteva loburi laterale mai mici. De asemenea, aceast sensibilitate difer de la un senzor sonar la altul. Diferenele de sensibilitate ale unora dintre cei mai populari senzori sonar, i anume modelele Devantech SRF02 (Fig.8) i SRF10 (Fig.9) pot fi observate n figurile 10 i 11.

Fig.8 Sonarul monostatic Devantech SRF02

Fig.9 Sonarul bistatic Devantech SRF10

7

Fig.10 Sensibilitatea sonarului monostatic SRF02

Fig.11 Sensibilitatea sonarului bistatic SRF10

Dac semnalul acustic trimis de emitor se propag direct ctre un obiect, se reflect de acesta i revine napoi la detector, distana pn la obiectul respectiv poate fi calculat prin:

n formula de mai sus, t reprezint intervalul de timp n care semnalul acustic ajunge de la emitor napoi la detector, iar v reprezint viteza sunetului emis n mediu, calculat cu formula:

V0 reprezint viteza sunetului n aer la temperatura de 0C, iar T temperatura n grade Celsius. Astfel, se poate calcula viteza semnalului acustic n aer la o anumit temperatur. Spre exemplu, v=344m/s la T=20C, respectiv v=346m/s la T=24C. Formula de mai sus este doar o aproximare. Viteza sunetului n practic mai este afectat i de densitatea aerului (altitudine) precum i de ali factori precum umiditatea aerului sau concentraia de praf n aer. Majoritatea roboilor mobili folosesc o configuraie de senzori ultrasonic aranjai similar cu cei din figura 12. Distana minim care poate fi msurat de un senzor sonar, este dat de formula:

7

Unde reprezint durata pulsului n secunde. Spre exemplu, pentru distana minim msurabil este de aproximativ 21cm.

,

Fig.12 Exemplu de configuraie a senzorilor sonar la un robot mobil Se utilizeaz aceast configuraie pentru a mbunti performanele de vedere ale unui robot mobil, deoarece n acest mod se pot acoperi unghiuri de vedere din zone multiple. Similar, distana maxim este dat de formula:

Unde

reprezint durata n secunde ntre pulsuri.

Din nefericire, nici senzorii ultrasonici nu sunt lipsii de probleme. n primul rnd, poziia exact a unui obiect detectat este necunoscut, datorit funciei de sensibilitate a sonarului. Un obiect detectat la o distan d de sonar poate fi oriunde n conul acestuia. n al doilea rnd, anumite suprafee pot da natere unor citiri eronate, semnalul acustic putnd fi reflectat n alt direcie. O alt problem poate s apar n momentul n care se folosesc configuraii cu mai muli senzori ultrasonici. Dac semnalele de la aceti senzori nu sunt codificate, i se dorete folosirea mai multor senzori simultan, este posibil ca semnalele senzorilor s interfereze unul cu cellalt, dnd natere la citiri complet eronate. O modalitate de evitare a acestei probleme o constituie folosirea senzorilor n mod secvenial.

7

Cu toate aceste probleme, senzorii ultrasonici sunt cu siguran cea mai des ntlnit categorie de senzori de distan folosit la construcia unui robot mobil. Preul lor se ncadreaz ntre preul foarte mic al senzorilor IR i preul mult mai mare al altor categorii de senzori de distan mai precise.

7

Bibliografie[1]. LERNER, K. LEE. "SONAR." Encyclopedia of Espionage, Intelligence, and Security. 2004. Retrieved July 08, 2010 from Encyclopedia.com [2]. Encyclopdia Britannica. 2010. Encyclopdia Britannica Online. 05 Jul. 2010 http://www.britannica.com/EBchecked/topic/554214/sonar [3]. http://www.spiritus-temporis.com/sonar/ [4]. http://ro.wikipedia.org/wiki/Viteza_sunetului [5]. Radu Bogdan Rusu, Arhitecturi moderne pentru roboi mobil, Proiect de disertaie, Universitatea Tehnic din Cluj-Napoca,2005

7