Ultraschallwelle durch Luft

Ich bin kein Physiker, aber ich interessiere mich sehr für dieses Gebiet.

Die einfache Version meiner Frage lautet:

"Was ist die maximale Reichweite einer Ultraschallwelle, die sich durch Luft ausbreitet?" Jetzt weiß ich, dass es von der genauen Frequenz, Lufttemperatur, Luftfeuchtigkeit usw. abhängt. Ich muss die genaue Zahl nicht kennen. Ich muss nur die Größenordnung kennen. Ist es ~1m? ~10m? ~1000m?

Ich weiß auch, dass dieser Bereich aufgrund der Dämpfung der Welle endlich ist und die Dämpfung höher ist, wenn die Frequenz höher ist. Diese Frage könnte also möglicherweise in diese beiden übersetzt werden: "Was ist die minimale Ultraschallwellenamplitude, die von einem handelsüblichen Sensor erkannt werden kann?" + "Was ist die maximale Ultraschallwellenamplitude, die von handelsüblichen Ultraschallsendern abgegeben werden kann?"

Eine "Ultraschall"-Welle kann sich beliebig weit ausbreiten, genau wie eine normale Schallwelle, es hängt von der Amplitude des Signals ab. Zu deinen 'zwei' Fragen: da müsstest du wohl nachschlagen...
Der Grund, warum ich das frage, ist folgender: Jedes Mal, wenn ich eine Diskussion über die Entfernungsmessung mit Ultraschallwellen sehe, sehe ich Näherungssensoren, zB in Autos, in Kartenlesern ... Ich interessiere mich für die Entfernungsmessung im Bereich von 1 m bis 100 m in Innenräumen mit Ultraschall . Die erforderliche Genauigkeit wäre +- 5 cm.

Antworten (3)

Einen umfassenden Artikel über die Absorption von Ultraschallwellen in der Luft finden Sie im Artikel Absorption von Ultraschallwellen in der Luft von A. Vladišauskas und L. Jakevičius .

Wir sollen nicht nur Links in Artikeln zitieren, aber es scheint albern, hier das gesamte Papier wiederzugeben. Die Schlussfolgerungen sind, dass die Absorption stark von Lufttemperatur und -druck (obwohl ich vermute, dass Sie nur am Normaldruck interessiert sind) und auch von der Frequenz beeinflusst wird. Bei niedrigen Frequenzen und Temperaturen (um null Grad) ist die Absorption sehr gering. Mit zunehmender Temperatur steigt jedoch die Absorption mit der Temperatur. Für niedrige Frequenzen (ca. 100 kHz) erreicht die Absorption bei etwa 50 °C einen Spitzenwert von etwa 5 dB/m. Bei Frequenzen um 1 MHz beträgt die Absorption mehrere hundert dB/m und zeigt unterhalb von 100 °C keine Spitze.

Danke für deine Antwort. Der Link ist sehr hilfreich, aber ich glaube, ich hatte aus Sicht der Industrie auf etwas mehr gehofft. Wie ich im Kommentar unter der Frage sagte, finde ich überall, wo ich hinschaue, immer Ultraschallgeräte, die die Nähe in einem Bereich von bis zu 5 m erkennen. Und ich frage mich, warum niemand ein Ultraschallgerät erfunden hat, das aus einem Sender auf der einen Seite und einem Empfänger auf über 100 m Entfernung besteht, das die richtige Entfernung ohne Laser oder anderes Zeug messen könnte?
@ancajic für die Entfernung geht es eher um das Problem: Die Schallgeschwindigkeit variiert je nach Druck, Temperatur usw. Selbst wenn Sie ein Signal über 100 m übertragen könnten, könnten Sie keine zuverlässige Entfernung ableiten.

Die Schalldämpfung in Luft ist eine Funktion der Frequenz – je höher die Frequenz, desto größer die Dämpfung pro Längeneinheit.

Es gibt auch eine natürliche Grenze für die Amplitude einer Schallwelle: Sobald der Spitzendruck mehr als das Doppelte des Umgebungsdrucks beträgt, haben Sie keine traditionelle "Welle" mehr, da der Luftdruck nicht negativ werden kann.

Drittens – „Ultraschall“-Frequenzen beginnen bei 20 kHz: die Grenze des (guten) menschlichen Gehörs.

Schließlich - wenn der Schalldruck einer Welle auf 0 dB gesunken ist, kann man vernünftigerweise sagen, dass sie "nicht nachweisbar" geworden ist; eine beliebige Anzahl von Umgebungsgeräuschquellen würde so viel Rauschen hinzufügen, dass extrem empfindliche Geräte erforderlich wären, um überhaupt eine Chance zu haben, das Signal aufzunehmen. 0 dB ist die „Grenze des menschlichen Gehörs“.

Wenn man diese drei Dinge zusammenfasst, könnte man die Entfernung berechnen, die ein 20,1-kHz-Signal in normaler Luft (20 °C, 40 % relative Luftfeuchtigkeit) zurücklegt, wenn die Schallquelle am Ursprung einen Druck von 194 dB hat (die theoretische Grenze für unverzerrten Schall). ). Wir gehen davon aus, dass dieser Druck in einem Abstand von einer Wellenlänge (etwa 1 cm) vom Wandler gemessen wird; dann haben wir sowohl mit dem Abstandsquadratgesetz als auch mit dem Dämpfungsgesetz zu kämpfen.

Nach dem Abstandsgesetz verlieren wir 6 dB für jede Abstandsverdopplung. Wenn dies der einzige Mechanismus zum Reduzieren der Amplitude wäre, würde das 194-dB-Signal in (194/6 ~ 31) Entfernungsverdopplungen auf Null fallen, oder 2 31   C M . Das ist eine enorme Distanz, also müssen wir uns stattdessen den Dämpfungskoeffizienten ansehen.

Laut dem Artikel, auf den John Rennie bereits Bezug genommen hat , "Absorption of Ultrasonic Waves in Air", A. Vladišauskas, L. Jakevičius, ISSN 1392-2114 ULTRAGARSAS, Nr.1(50). 2004 beträgt die Dämpfung von 50 kHz Ultraschall bei 20 C und 60 % relativer Luftfeuchtigkeit etwa 1 dB / m

Damit ergibt sich schnell eine absolute Obergrenze von ca. 200 m für jegliche Ultraschallsignalübertragung. Die Bedingungen der "realen Welt" werden die Antwort stark beeinflussen.

Es hängt auch von dem Wandler, der Schaltung und der Signalsequenz ab, die Sie verwenden. Die Empfindlichkeit variiert zwischen verschiedenen Geräten, und die Signalsequenzierung verändert die Fähigkeit, das Signal einzuhüllen, erheblich.

Mittlere Variablen können sich über einen großen Bereich zu stark unterscheiden. Eine kleine Änderung kann zu großen Lesefehlern führen.

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