Code snippets, ideas and events from IT related projects

Wprowadzenie

Sonar to urządzenie które zbiera dźwięki rozchodzące się w wodzie i na ich podstawie analizujące obiekty znajdujące się w swoim sąsiedztwie.

Sonar aktywny zawiera oprócz odbiornika źródło dźwięku. Można to porównać do sytuacji, gdy idąc nocą świecimy sobie lampką, by widzieć drogę i przeszkody. Lampka to odpowiednik źródła dźwięku, oczy - odbiornika, powietrze - wody, droga i przeszkody - analizowanych obiektów.

Sonar pasywny -alternatywa dla aktywnego- nie posiada źródła dźwięku, analizuje dźwięki wydawane przez obiekty. W niektórych zastosowano ciekawy pomysł - posiadają dodatkowy odbiornik, który skierowany jest w neutralne miejsce, gdzie obserwowanego sygnału nie ma; Wtedy analizowaną informacją jest różnica sygnałów z obu odbiorników.

Wykorzystywane są dźwięki od infradzwieków (niesłyszalne przez człowieka z powodu zbyt niskiej częstotliwości), poprzez dźwięki słyszalne, po ultradźwięki (o zbyt wysokiej częstotliwości, by mogły być słyszalne przez człowieka).

Nazwa i treść notki, samo nazwanie ustrojstwa sonarem może być poczytane za semantyczne nadużycie, mimo to zdecydowałem się na to, gdyż IMHO jest to intrygujący i prosty eksperyment dotyczący tego właśnie zagadnienia.

Próby

Pierwsze, co chciałem sprawdzić, to czy wykorzystując wejście mikrofonowe + wyjście głośnikowe komputera, *prosty* sprzęt oraz otwarte/darmowe oprogramowanie można zbudować model, gdzie analizowany sygnał zmieniałby się w zależności od tego, czy między nadajnikiem a odbiornikiem znajdują się obiekty?

Odbiornikiem został wbudowany w komputer mikrofon, nadajnikiem były słuchawki. Do obrazowania sygnału wykorzystałem programowy analizator widmowy - baudline, który skonfigurowałem tak, by podczas testów zbierał sygnał z wejścia mikrofonowego. Sygnałem emitowanym przez nadajnik był plik wav odtwarzany w nieskończonej pętli mplayer'em. Skryptem pytonowym wygenerowałem dwa takie pliki, jeden o wysokiej, drugi o niskiej częstotliwości.

Słuchawki przyłożyłem do matrycy, ponieważ obok jest mikrofon. Eksperyment uprościłem wykonując go bez wody.

Wyniki prezentuje filmik dostępny poniżej, zwróćcie uwagę, na to, jak zmienia się ilość głównej składowej po włożeniu ręki między nadajnik (słuchawkę) a odbiornik (mikrofon) – maleje, czyli odpowiedz na postawione pytanie jest twierdząca.

Drugie, co chciałem sprawdzić, to czy można dostrzec zmiany sygnału, gdy nadajnik i odbiornik nie znajdują się naprzeciwko siebie (czyli odbijanie się fal dźwiękowych)? Za nadajnik posłużyły głośniki w komputerze, razem z mikrofonem (w okolicach matrycy) tworzą one kąt ok 120 stopni (po odchyleniu ekranu).

Sprawdziłem też nieco inny sposób – mikrofon odchyliłem tak, by tworzył kąt 180stopni z głośnikami, wtedy sprawdziłem, czy widmo zmieni się, gdy przesunę kilka cm. nad laptopem metalowe pudło (ze śrubkami) i również się zmienia.

Budowa sonaru

Miednica z płytkami podłogowymi napełnieniu wodą udawała zbiornik wodny. Chciałem sprawdzić, czy wodząc moim pływającym ustrojstwem po powierzchni wody zaobserwuję na ekranie komputera zmiany natężenia sygnału, w zależności od tego, czy znajduje się ono nad 'pustą' wodą, czy nad miejscem, gdzie woda przykrywa płytki? Szukałem płytek, mówiąc w skrócie.

Sonar umieściłem na płycie styropianowej, tak, by unosił się na wodzie. W styropianie wyciąłem szparę na głośnik, a obok drugą, na mikrofon. Elektronika nie jest izolowana od wody, gdyż nie styka się z nią – unosi się na styropianie.

Na stronę elektroniczną ustrojstwa składa się głośnik podpinany do wejścia głośnikowego oraz mikrofon podpinany do wejścia mikrofonowego w komputerze. Dokładniejszy opis praktycznego wykonania mikrofonu, który można podłączyć do komputera i wykorzystać na co dzień, np do rozmów na Skype znajduje się w tej notce.

Generatorem sygnału dla nadajnika było wbudowane w baudline narzędzie (menu output -> tone generator). Wybrałem je mimo braku intuicyjności, bo praca z nim jest elastyczniejsza od metody z plikami wav.

Pominięte kwestie

• Mikrofon powinien być kierunkowy, a nie zbiorczy, ew. powinien być umieszczony w dzwiękochłonnej tubce,
• głośnik może pełnić też funkcję mikrofonu,
• w czasie, gdy nadajnik nadaje sygnał, to odbiornik powinien być wyłączony, gdyż celem odbiornika jest zbieranie fal odbitych od obiektów, a nie nadawanych przez sonar,
• z racji swych rozmiarów miednica niezbyt nadaje się do testów.

Wyniki i podsumowanie

Wodząc po powierzchni wody zaobserwowałem, że gdy ustrojstwo przesuwam blisko krawędzi płytek, to wskazania zmieniają się, a dokładniej udział dwóch spośród składowych częstotliwości częstotliwości maleje. Powtórzyłem to kilkunastokrotnie, za każdym razem z tym samym wynikiem, widać to na powyższych filmikach.

Wszytko było by OK, gdyby nie to, że IMHO powinien on wtedy rosnąć. Nie wiem czemu tak jest, tym tajemniczym zjawiskiem z miski kończę notkę.

Odnośniki do innych stron o podobnej tematyce

• Introduction to Naval Weapons Engineering: ASW Systems