Wie wirkt sich die Ausgangsleistung des Lautsprechers auf die Erkennungsgrenze und die Auflösung des Sonars aus?

Ich plane, eine Sonaranwendung mit Smartphone-Lautsprecher und Mikrofon zu erstellen, und es wird vorausgesetzt, dass die Ausgangsleistung des Lautsprechers 3 Watt und die Tonfrequenz 20 kHz beträgt. Ich wollte verstehen, wie die Qualität des erkannten Signals mit zunehmender Entfernung abnimmt und bei welcher Entfernungsgrenze das empfangene Signal für die Messwerte zu schwach wäre. Ich habe einige Nachforschungen angestellt und gehe davon aus, dass die zuverlässige maximale Reichweite zwischen 10 und 25 Metern liegen würde, bin mir aber nicht sicher. Aber es ist mir immer noch unklar, wie die Reichweite berechnet wird und wie sie mit den Eigenschaften (hauptsächlich Größe und Form) der zu erkennenden Objekte zusammenhängt. Und ich wollte wissen, ob die Kenntnis von Leistung und Frequenz ausreicht, um die obige Frage zu beantworten? Ich würde mich freuen, wenn Sie das Thema etwas erläutern oder vielleicht Referenzmaterial zum besseren Verständnis teilen könnten. Vielen Dank.

In trockener Luft bei 20 °C (68 °F) beträgt die Schallgeschwindigkeit 343,2 Meter pro Sekunde (variiert mit Temperatur und Luftfeuchtigkeit). Bei einem Ziel in 25 m Entfernung deckt der Puls das Doppelte ab - Sie rechnen für das Timing des Rückimpulses zum Mikrofon. Es ist unwahrscheinlich, dass der Lautsprecher die volle Leistung bei 20 kHz ausgibt, was die Grenze des menschlichen Gehörs darstellt (es sei denn, Sie sind ein Kind). Die Größe des Rücksignals hängt von der Größe, dem Material und der Form des Ziels ab.
Vielen Dank für Ihren Kommentar. Ich kenne diese Details tatsächlich, was Sie geschrieben haben, ist das Funktionsprinzip von Sonar. Ich verstehe es, aber ich verstehe nicht, warum 25 Meter angegeben werden, nicht 50. Wie berechnet man effektive Entfernungen, und wie kann ich sie für meine Spezifikationen berechnen?
Wie beim Radar gilt das 4. Potenzgesetz.

Antworten (1)

wie die Reichweite berechnet wird und in welcher Beziehung sie zu den Eigenschaften (hauptsächlich Größe und Form) der zu erkennenden Objekte steht

Ich werde eine Antwort geben, die darauf basiert, worauf Sie sich meiner Meinung nach konzentrieren sollten.

Die Ausgangsleistung erhöht die Reichweite auf jeden Fall. Wenn 3 Watt an den Lautsprecher ausgegeben werden, werden aufgrund von Lautsprechermängeln möglicherweise nur 10 % von 3 Watt tatsächlich in Schallenergie umgewandelt. Wenn wir bei einer Ausgangsleistung von 300 mW bleiben (ähnlich wie Sie Berechnungen bei der Funkwellenübertragung durchführen würden), kann man grob sagen, dass diese Leistung in alle Richtungen einer Hemisphäre emittiert wird.

Da kann man dann vernünftigerweise von Watt pro Quadratmeter sprechen und das ist bei sagen wir 10m die Fläche einer Kugel 4 π R 2 = 1257 qm. Die Hälfte dieses Bereichs wird von der Ausgangsleistung der Lautsprecher infiltriert, sodass die Leistungsdichte bei 10 m 300 mW / 628 = 0,48 mW/m² beträgt.

Wenn also ein 1 m² großes Objekt in 10 m Entfernung die gesamte einfallende Leistung vollständig reflektiert, regeneriert es 0,48 mW. Dies unterliegt auch der gleichen Regel wie zuvor, dh die gesamte Leistung wird in Watt pro Quadratmeter auf einer Halbkugel verteilt und in 10 m Entfernung beträgt die Leistung pro Quadratmeter 0,76 uW / Quadratmeter.

Das Mikrofon, das diese einfallende Leistung empfängt, ist möglicherweise nur 1 cm im Quadrat groß, sodass die tatsächlich empfangene Leistung 10.000-mal niedriger ist, dh 76 Picowatt. Wenn das Mikrofon dies zu 10 % effizient in elektrische Energie umwandelt, sollten Sie ein elektrisches Signal von 7,6 Picowatt sehen.

Die Umwandlung dieser Leistung in Spannung erfordert einen Vertrauensvorschuss in Bezug auf die Impedanz, die dem Mikrofon und der Empfindlichkeit des JFET in der Kapsel präsentiert wird, aber vielleicht können Sie davon ausgehen, dass die Leistung vom JFET 1000-fach verstärkt und über einen 2k2-Widerstand (hübsch Standardschaltung, könnte aber bis zu 10 kOhm hoch sein).

So werden 7,6 Picowatt aufgrund des JFET in der Kapsel zu 7,6 Nanowatt und diese Leistung erzeugt eine Spannung über dem 2k2-Widerstand. Also die Ausgangsspannung = P × R = 4,1 mV Effektivwert. Wirklich ein ziemlich gutes Signal.

Dies setzt natürlich eine 100% ige Reflexion der Leistung voraus und ist zu 100% unwahrscheinlich - bestenfalls / typisch sehen Sie möglicherweise 1% reflektierte Leistung, sodass 4,1 mV RMS wahrscheinlich eher 0,13 mV RMS entsprechen.

Unterm Strich sind die Zahlen Vermutungen, da Sie nicht wissen, wie viel Ausgangsleistung in einem Impuls übertragen werden kann, und dass die Mikrofongröße und die Interna ebenfalls Vermutungen sind. Die Effizienz von Lautsprecher und Mikrofon kann ebenfalls weit daneben liegen.

Nur um zu versuchen, die Dinge ins rechte Licht zu rücken: Ein Signal von einer ziemlich durchschnittlichen Elektretkapsel mit ein paar mV RMS ist typisch für 92 dB SPL.

Dann scheint der Trick darin zu bestehen, nach den Mindestanforderungen des Empfängersignals zu suchen und die max. Entfernung, die dieses Minimum bereitstellen könnte (umgekehrte Berechnung). Vielen Dank für deine Hilfe.
Wie wirkt sich die Ausgangsleistung des Lautsprechers auf die Erkennungsgrenze und die Auflösung des Sonars aus?
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