проект "Ультразвуковой дальномер"

Муниципальная научно-практическая конференция учащихся

3-4 классов общеобразовательных учреждений

«Твой первый шаг в науку»

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДАЛЬНОМЕР

Секция: «Мир науки»

Саратов,2023 г.

СОДЕРЖАНИЕ

1.  Введение………………………………..…….2
2. Основная часть

1. Теоретическая часть………………………….3

2.2        Практическая часть……………….………….9

3.        Заключение………………………..………… 10  

4.        Список литературы………………………….   10

1. Введение. Чудеса вокруг нас.

Нас окружают разные чудеса.

Ультразвук. Это слово в повседневной жизни мы слышим довольно часто, как по телевизору и в социальных сетях, так и от простых людей в диалоге. Информацию о нем мы слышали довольно посредственно, успели усвоить лишь малую часть той информации, но нам стало интересно понять, так что же такое ультразвук и помогает ли он человеку.

Актуальность темы: состоит в том, чтобы изучить более глубоко ультразвук и его применение в технике.

Цель работы: выяснить, что такое ультразвук, определить его источники и узнать для чего и как он используется в технике.

Объектом исследования: в проектной работе является ультразвуковой дальномер.

Цель работы– изучение темы «Ультразвук и его применение в технике на примере создания ультразвукового дальномера»

Задачи исследования:

Основные задачи:

1. Изучить, что же такое ультразвук, определить источники ультразвука

2. Изучить, кто и когда изобрел первые источники ультразвука. Определить параметры ультразвука.

3. Исследовать применение ультразвука в технике.

Значимость исследования: результат моего исследования поможет выяснить, можно ли создать  ультразвуковой дальномер в домашних условиях.

Основная часть.

Ультрозвук и его применение.

1. Значение слова

     Слово ультразвук состоит из ultra - латинское сверх, а звук - то, что мы слышим. Получается «сверх-звук» - после чего становится понятным научное определение ультразвука. 

     Частота ультразвуков составляет 30-70 килогерц: для сравнения можно указать, что, например, человек не может ни воспроизводить голосом, ни воспринимать звуки частотой выше 20 килогерц.

2. Ультразвук в природе.

     В природе УЗ встречается как в качестве компонентов многих естественных шумов (в шуме ветра, водопада, дождя, в шуме гальки, перекатываемой морским прибоем, в звуках, сопровождающих грозовые разряды, и т. д.), так и среди звуков животного мира. 

3. Ультразвук среди животных

    Оказывается, многие живые существа в процессе эволюции научились использовать «свой голос» для ориентации в пространстве.

     Некоторые представители животного мира обладают тем, чего лишен человек. Им, оказывается, доступны ультразвуковые колебания, которые, исходя из своих возможностей, мы относим к разряду неслышимых звуков. Так, например, морская свинка, сова, серая мышь, барсук, водяные жуки, некоторые ночные бабочки воспринимают ультразвуковые колебания чистотой до 100 тысяч герц. Даже собаки слышат ультразвук. Известен такой цирковой номер-собака «решает» арифметические задачи. Никто из зрителей не догадывается, что она просто выполняет команды, подаваемые дрессировщиком с помощью специального ультразвукового свистка

     Есть животные, которые не только воспринимают, но и сами излучают ультразвук, он им заменяет зрение. Наибольший интерес с этой точки зрения представляют летучие мыши, дельфины и киты, у которых особенно хорошо развито ультразвуковое видение, основанное на принципе эхолокации.

     Эхолокация- излучение и восприятие отражённых высокочастотных звуковых сигналов с целью обнаружения объектов.

     Киты и дельфины используют ультразвуковой шум в качестве оружия, оглушающего рыбу.

     Летучая мышь - уникальный объект для ученых-биоакустиков. Она совершенно свободно ориентируется в полной темноте, не натыкаясь на препятствия. 
    Более того, имея плохое зрение, летучая мышь на лету обнаруживает и ловит маленьких насекомых, отличает летящего комара от несущейся по ветру соринки, съедобное насекомое – от невкусной божьей коровки. 

     Вода плотнее воздуха. Она хорошо проводит звук, но плохо пропускает свет. В воде звук распространяется почти в 5 раз быстрее, чем в воздухе.

     Дельфины могут видеть на расстоянии не более 30 метров, причем, в тех слоях воды, куда достигает дневной свет. У дельфинов хорошо развит голосовой и слуховой аппарат, что позволяет им издавать и воспринимать звуки в широком диапазоне частот от нескольких сотен до десятков тысяч герц. Дельфины прекрасно ориентируются в самых различных водоемах и отличают живые организмы от неживых предметов.

4. Помощь ультразвука животным.

     Большинство животных заранее чувствуют приближение природных катаклизмов. Например, обладая прекрасным слухом, реагируют на ультразвуки, излучаемые тектонической плитой за несколько дней или недель до большого землетрясения.

     Лошади ржут и убегают, собаки воют, а рыбы начинают выпрыгивать из воды. Животные, которые обычно прячутся в норах, такие как змеи и крысы, внезапно выходят из нор: шимпанзе в зоопарках становятся беспокойными и проводят больше времени на земле.

5.Использование ультразвука человеком

     Человек применяет ультразвук в разных отраслях: медицине, строительстве, промышленности и т.д.

     Самое распространенное применение волновой ультразвуковой технологии — диагностические УЗ сканеры для визуализации внутренних органов человека. 

     На производстве и в лабораториях для очистки  технической посуды и деталей от малых частиц применяют ультразвуковые ванны. Некоторые стиральные машинки для особо тщательной стирки тоже применяют ультразвук. Свойства ультразвука используются в эхолоте, специальном приборе, который определяет глубину моря.

     Кроме того, данный тип волны используют для выявления дефектов в металлических деталях и приготовления однородных смесей. Несмешивающиеся жидкости, к примеру, вода и масло вливаются в колбу и подвергаются облучению ультразвуком до образования эмульсии. Таким образом, производятся краски для волос, крема, фармацевтические изделия, косметику. 

6.Дальномер

     Дальномер— это устройство для измерения расстояния до некоторого предмета. Дальномер помогает роботам в разных ситуациях.

     Простой колесный робот может использовать этот прибор для обнаружения препятствий. (робот-пылесос). Летающий дрон использует дальномер для полета над землей на заданной высоте. 

Ультразвуковые дальномеры часто используются при создании роботов, в проектах автоматизации технологических объектов, в промышленности. Но наиболее широкое применение они нашли в сфере строительства и ремонта, а также в производстве мебели. приборы подходят для сложных условий эксплуатации.

7. Принцип действия.

     На этот раз мы разберем работу одного из самых популярных датчиков — ультразвукового (УЗ) дальномера. Он работает по принципу измерения времени прохождения отраженного звука. То есть датчик отправляет звуковой сигнал в заданном направлении, затем ловит отраженное эхо и вычисляет время полета звука от датчика до препятствия и обратно.

Излучатель устроен таким образом, что звук распространяется не во все стороны, а в узком направлении. На рисунке представлена диаграмма направленности типичного УЗ дальномера.

     Также следует отметить два серьезных недостатка УЗ дальномера. Первый заключается в том, что поверхности имеющие пористую структуру хорошо поглощают ультразвук, и датчик не может измерить расстояние до них. Например, если мы задумаем измерить расстояние от мультикоптера до поверхности поля с высокой травой, то скорее всего получим очень нечеткие данные. Такие же проблемы нас ждут при измерении дистанции до стены покрытой поролоном.

     Второй недостаток связан со скоростью звуковой волны. Эта скорость недостаточно высока, чтобы сделать процесс измерения более частым. Допустим, перед роботом есть препятствие на удалении 4 метра. Чтобы звук слетал туда и обратно, потребуется целых 24 мс.

Практическая часть

 Ультразвуковой дальномер

     Мне помогли в домашних условиях собрать ультразвуковой дальномер. Его собрали из запчастей, купленных в радиотоварах: дальномера, макетной платы для соединения проводов, электронной платы, дисплея, выключателя комплекта батареек.

     Подключив по схеме мы получаем интересное и нужное устройство.

Программа каждые 100 милисекунды (десятая часть секунды) измеряет расстояние с помощью дальномера и выводит результат на символьный ЖК дисплей.

     Этот популярный дальномер умеет измерять расстояние от 1-2 см до 4 метров. При этом, точность измерения составляет 0.5 — 1 см.

Опыты с ультразвуковым дальномером.

С устройством были проведены опыты.

Опыт 1. Берем устройство, направляем в сторону стены. На дисплее появляется результат- 120 см.

Опыт 2. Берем устройство, направляем на поверхность воды. Дисплей показывает расстояние устройства до воды. Вывод: ультразвук отражается от поверхности воды.

Опыт 3. Берем устройство, направляем на телевизор. Дисплей показывает расстояние устройства до телевизора. 2 м. Вывод: ультразвук отражается от любого твердого материала.

Опыт 4. Берем устройство, направляем на окно. Дисплей показывает расстояние устройства до окна 1 м. Вывод: ультразвук отражается от любого твердого материала.

Опыт 5. Определяем собственный рост. Берем устройство, держим на уровне головы, направляем на пол. Дисплей показывает рост 145 м. Вывод: ультразвук отражается от любого твердого материала.

 Заключение

     Ультразвуковой дальномер — простой в использовании, дешевый и точный датчик, который отлично выполняет свою функцию.

 Как мы знаем, у устройства есть недостатки, плохая работа с пористыми поверхностями.

Мои опыты прошли успешно. Желаю и вам успехов в освоении нового.

Список использованных источников

1. Акопян В.Б. Физические основы УЗ терапии. Мед. Физика, 2001, 11, С. 9.

2.http://rsmu.ru/fileadmin/rsmu/img/pf/cfim/uzi.pdf/ Физические основы использования ультразвука в медицине /учебное пособие/ И.И. Резников, В.Н. Фёдорова, Е.В. Фаустов, А.Р. Зубарев, А.К. Демидова.

3. Основы применения низкочастотного ультразвука в сельском хозяйстве. Курс лекций. Моск. Ветеринарная Академия, М., 1988.

4. https://studfile.net/preview/5873608/page:4/.

5. https://ru.wikipedia.org/wiki/Ультразвуковая_кавитация.