Medida de Distancias Através de Sons (INS283)

Escrito por Newton C Braga

O experimento apresentado neste artigo é bastante interessante e pode ser incluído na parte prática de cursos de eletrônica, mostra como podemos medir distâncias através de reflexão de sinais, especificamente os sons. Com a experiência demonstramos na prática o principio de funcionamento do sonar e o estendemos ao radar. Um circuito não crítico apenas pode ser mantido no laboratório para realização do experimento.

A demonstração do principio do funcionamento do sonar e da medida de distância por meio da reflexão de sons pode ser feita de maneira simples num laboratório de eletrônica que possua um osciloscópio.

Os poucos elementos adicionais necessários e que podem ser montados até mesmo numa matriz de contatos, facilitam a demonstração e sua precisão é bastante boa dentro das dimensões de uma sala de aula.

O circuito permite demonstrar como funciona o sonar (medida de profundidade por eco), a medida de distância por pulsos usada em eletrônica industrial, e até mesmo pode ser estendida ao radar, que tem como diferente apenas o fato de usar ondas de rádio e não ondas acústicas.

Como no nosso projeto experimental usamos ondas sonoras de pequena potência, a montagem não é crítica, não oferece perigos de manuseio além de usar componentes de baixo custo.

 

CARACTERÍSTICAS DO PROJETO

Alcance: 1 cm a 5 m

Freqüência de operação: entre 20 e 10 000 Hz

Potência de emissão: inferior a 1 W

Tensão de alimentação: 6 a 12 V

 

 

O PRINCÍPIO ENVOLVIDO

O som se propaga pelo ar, em condições normais de temperatura e pressão, a uma velocidade que pode ser aproximada para 340 m/s.

Isso significa que se o som puder ser refletido num obstáculo, conforme ilustra a figura 1, teremos um retorno que demorará para chegar à fonte emissora um tempo proporcional à distância.

 

Figura 1 – A reflexão do som
Figura 1 – A reflexão do som

 

Caso, o obstáculo estiver a 17 m de distância, o som terá que percorrer 34 m para ir e voltar e levará no trajeto 1/10 de segundo.

Se quisermos usar ondas sonoras para medir distâncias o que precisamos então é de um dispositivo emissor, um dispositivo que receba o eco, e algo capaz de medir o tempo que decorre entre a emissão e recepção, conforme ilustra a figura 2.

 

Figura 2 – Princípio usado na medição de distâncias
Figura 2 – Princípio usado na medição de distâncias

 

O emissor para o caso de ondas sonoras é um simples oscilador de áudio ligado a um amplificador, e a um alto-falante. O receptor é um microfone ligado a um amplificador, e o dispositivo capaz de medir os tempos é um osciloscópio.

No entanto, para podermos atingir nossos objetivos, algumas considerações técnicas em relação aos sinais usados devem ser feitas.

Se trabalharmos com um sinal senoidal, a ondulação que ele representa, pode confundir-se facilmente com o eco e não teremos definição do seu retorno.

Para termos uma definição no retorno, precisamos trabalhar com pulsos de curta duração.

Desta forma, no nosso projeto temos um oscilador que produz a uma certa freqüência, pulsos de duração muito curta e que são aplicados ao alto-falante.

Desta forma, estes pulsos são inicialmente aplicados ao Osciloscópio para dar a referência a contagem de distância, ou seja, para fazer a marcação do zero de distancia.

O pulso propaga-se então na forma de som, e ao ser captado de volta pelo microfone é levado ao osciloscópio depois de amplificado, resultando num pulso de retorno, conforme mostra a figura 3.

 

Figura 3 – Visualização dos pulsos num osciloscópio
Figura 3 – Visualização dos pulsos num osciloscópio

 

A separação entre o pulso produzido e o retorno, nos dá a distância entre o objeto refletor e a fonte de sinal.

Na figura 4 mostramos que, se o pulso for de curta duração podemos facilmente distinguir o pulso refletido do sinal emitido, o que não ocorre se o pulso tiver uma duração mais longa, quando então pode haver uma mistura do retorno do sinal que ainda está indo, dificultando medidas de distâncias curtas.

 

Figura 4 – Definição precisa com pulsos curtos
Figura 4 – Definição precisa com pulsos curtos

 

A taxa de repetição dos pulsos é importante, pois determina a faixa de distâncias que podemos medir.

Isso deve ser levado em conta, pois o pulso de retorno deve estar presente no microfone antes que o pulso seguinte de envio seja produzido.

Desta forma, se os pulsos forem produzidos, numa freqüência de 100 Hertz, isso significa que o som percorrerá 3,4 metros no intervalo de tempo existente entre dois pulsos.

Esta será a distância alcançada, com esta freqüência, (figura 5).

 

Figura 5 – Exemplo prático de medida
Figura 5 – Exemplo prático de medida

 

É fácil perceber que, se formos medir as distâncias maiores, precisaremos de freqüências cada vez mais baixas.

Para demonstrações numa sala de aula, usamos um objeto de médias dimensões (anteparo) pequeno como refletor, freqüências entre 50 e 200 Hertz podem ser utilizadas sem problemas.

 

NOSSO CIRCUITO

Na figura 6 temos o diagrama completo do equipamento experimental que usamos para demonstrar estes princípios.

 

Figura 6 – Diagrama do aparelho
Figura 6 – Diagrama do aparelho

 

O conjunto pode ser montado numa matriz de contatos ou então em placa de circuito impresso com a disposição mostrada na figura 7.

 

Figura 7 – Placa para a montagem
Figura 7 – Placa para a montagem

 

O potenciômetro P1 ajusta a freqüência dos pulsos, enquanto que o resistor R2 que pode ser reduzido até 2,2 kg determina a duração dos pulsos.

O CI 4093 funciona como um oscilador onde a freqüência depende também do capacitor C2.

Neste circuito o capacitor carrega-se através do diodo rapidamente pois esse tempo é dado pelo resistor R2 e descarrega-se lentamente pelo resistor R1 e pelo potenciômetro P1.

O pulso é aplicado ao buffer e depois ao transistor amplificador

Uma possibilidade de se obter pulsos com polaridade invertida para monitoração é mostrada pela ligação com linhas pontilhadas.

Para maiores potências, nada impede que em lugar do circuito usado tenhamos a aplicação dos pulsos a um amplificador de áudio mais potente.

O receptor é um microfone de eletreto que aplica os sinais a um integrado LM386.

No potenciômetro P2 temos a sensibilidade e em P3 o nível de saturação para a entrada do osciloscópio.

Em operação, uma vez feito o ajuste de P3, trabalharemos apenas com P1 e P2.

Já que temos freqüências baixas, o emissor é um tweeter, mas com pulsos de curtíssima duração que correspondem a uma velocidade de resposta rápida.

O receptor é um eletreto comum. Os circuitos integrados podem ser montados em soquetes e os resistores são de 1/8 W. O capacitor C2 será escolhido de acordo com a faixa de freqüências que se pretende gerar.

Os capacitores eletrolíticos são para 12 V ou mais e os demais capacitores podem ser de poliéster ou cerâmicos.

Para conexão ao Osciloscópio recomenda-se o uso de cabos blindados para que roncos da rede não se sobreponham ao sinal deformando-o.

D1 é um diodo de silício de uso geral, e o transistor Q1 deve ser dotado de um pequeno radiador de calor.

Na figura 8 temos uma sugestão de fonte de alimentação para este equipamento.

 

 Figura 8 – Sugestão de fonte de alimentação
Figura 8 – Sugestão de fonte de alimentação

 

 

PROVA E USO

Ligue a saída do circuito à entrada vertical do osciloscópio e selecione no osciloscópio uma varredura lenta (1 ms, por exemplo).

Ajuste o osciloscópio e também P1 para obter um pulso ou dois na tela, conforme mostra a figura 9.

 

Figura 9 – Ajustando o osciloscópio e P1
Figura 9 – Ajustando o osciloscópio e P1

 

Aponte então o alto-falante para um objeto próximo (um anteparo com pelo menos 30 x 50 cm), a uma distância de 10 a 30 cm, um livro por exemplo.

O microfone do receptor deve estar posiciona- do junto ao emissor, conforme mostra a figura 10.

 

   Figura 10 – Posicionamento do microfone
Figura 10 – Posicionamento do microfone

 

Deve ser produzido um pulso de eco que aparecerá na imagem depois de atuarmos sobre P2 e P3 para que ele tenha a maior intensidade.

Pela separação do pulso de eco do pulso emitido, temos a distância entre o objeto e o aparelho emissor, (figura 11).

 

Figura 11 – Exemplo de imagem obtida
Figura 11 – Exemplo de imagem obtida

 

Numa demonstração, o operador deve movimentar o livro ou objeto que sirva de refletor para frente e para trás e mostrar aos presentes como a posição do eco se modifica na tela.

Veja também que a medida que o objeto se afasta a intensidade do eco diminui.

Num ambiente grande em que desejamos obter ecos de coisas a uma boa distância, o sistema deve ser dotado de recursos direcionais para que não ocorram reflexões múltiplas.

Num curso técnico, o professor pode propor aos alunos problemas como:

Dado a freqüência de varredura e a separação dos pulsos, determinar a distância em que se encontra o objeto detectado.

Determinar a maior freqüência que se pode usar para detectar um objeto até certa distância.

Supondo que em lugar de som sejam usadas ondas de rádio que a distância estaria o objeto num certo experimento (dada a separação dos pulsos).

 

CI-1 - 4093 - circuito integrado CMOS

CI-2 - LM386 - circuito integrado

Q1 - TIP31 - transistor NPN de potência

D1 - 1N4148 - diodo de silício

MIC - microfone de eletreto

FTE - 8 Ω x 10 cm ou tweeter - alto-falante ou tweeter

P1 - 1 M Ω - potenciômetro

P2 - 10 k Ω - potenciômetro

P3 - 1 k Ω - trimpot

C1 e C3 - 100 µF x 12 V - capacitores eletrolíticos

C2 - 100 nF a 470 nF - capacitor de poliéster ou cerâmico

C4 - 470 nF - capacitor cerâmico ou poliéster ou cerâmico

C5 - 220 µF x 12 V - capacitor eletrolítico

C6 - 100 nF - capacitor cerâmico ou poliéster

R1, R2, R6 e R7-10 k Ω x1/8 W - resistor (marrom, preto, laranja)

R3 - 2,2 k Ω x 1/8 W - resistor (vermelho, vermelho, vermelho)

R4 - 100 k Ω x 1/8 W – resistor (marrom, preto, amarelo)

R5 - 4,7 k Ω x 1/8 W - resistor (amarelo, violeta, vermelho)

Diversos: placa de circuito impresso, fonte de alimentação, soquetes DIL para os circuitos integrados, jaque de saída, fios, botões para o potenciômetros, fios solda, etc.