Ультразвук, характеристики.

[ViktorArs]

Уважаемые. Я вконец уже ничего не понимаю.

realeugene в сообщении #1283097 писал(а):

ViktorArs писал(а):

Как я понимаю, уважаемые физики, в разговоре пришли к мнению, что «туман образуется быстро» и пар, получается, не сильно пересыщен, поэтому можно использовать зависимость как для сухого воздуха. Я правильно понимаю?

Нет.

Итого: использовать зависимость от температуры для сухого воздуха при наличии тумана над кипящей водой все таки не совсем корректно и влажность нужно учитывать. Верно?

Вообще мне понравилась ссылка которую дал EUgeneUS и в частности данная картинка. Вот вероятно хочется построить семейство таких характеристик, чтобы потом начать думать о том чего хочется достичь (точность) и что "можется" достичь.
И как следствие на счет точности: думал-думал . . . . . пока говорить не берусь, сформулирую так: если построить график как по ссылке выше, то в диапазоне от 0 до 100 градусов Цельсия (хотя 100 это явно много, реально примерно 50) хотелось бы иметь в худшем случае хотя бы 5 м/с. Не совсем научно написал, но вообщем если эта зависимость нелинейная (а она такая) то просто хотелось бы для начала эту нелинейность видеть в указанном диапазоне.

Про дальномер:

wrest в сообщении #1283032 писал(а):

Если будете дальномерить там, где дуют ветры -- это тоже внесет погрешность :)

Я раскрою зонтик :) (также про снег, дождь, . . .)
А если серьезно, то EUgeneUS . . .
- расстояния примерно от 20 см до 10-ка метров. Пока так. Про широкие диапазоны измерений пока не думаю.
- про температуру уже написал
- про постановку задачи - не совсем понял, вы написали 2 пункта:

EUgeneUS в сообщении #1283030 писал(а):

- нужно учесть влияние внешних условий, чтобы, зная их возможную вариативность, определить точность измерений.
- нужно учесть влияние внешних условий, чтобы, зная параметры внешних условий, внести поправки в измеренное расстояние и получить итогове измерение с большей точностью.

Понятно, что строго они разные, но вроде как они на столько тесно сплетены, что одно без другого не существует.

[realeugene]

ViktorArs в сообщении #1283131 писал(а):

Итого: использовать зависимость от температуры для сухого воздуха при наличии тумана над кипящей водой все таки не совсем корректно и влажность нужно учитывать. Верно?

Не совсем. И без тумана пренебрегать водяным паром над кипящей кастрюлей нельзя даже для погрешности 10%.

-- 11.01.2018, 09:59 --

ViktorArs в сообщении #1283131 писал(а):

до 10-ка метров.

Это будет непросто.

[ViktorArs]

realeugene в сообщении #1283133 писал(а):

ViktorArs в сообщении #1283131 писал(а):

Итого: использовать зависимость от температуры для сухого воздуха при наличии тумана над кипящей водой все таки не совсем корректно и влажность нужно учитывать. Верно?

Не совсем. И без тумана пренебрегать водяным паром над кипящей кастрюлей нельзя даже для погрешности 10%.

Хорошо.

realeugene в сообщении #1283133 писал(а):

ViktorArs в сообщении #1283131 писал(а):

до 10-ка метров.

Это будет непросто.

А тогда до какого значения верхней границы будет проще/просто?

[realeugene]

ViktorArs в сообщении #1283139 писал(а):

А тогда до какого значения верхней границы будет проще/просто?

Не знаю. Нужно считать и моделировать. Существует ряд очевидных ограничений. Одно из них - четвёртая степень ослабления мощности отражённого сигнала в зависимости от расстояния. Другое - ненаправленный луч и, соответственно, отражения со всех сторон, например, от пола.

[EUgeneUS]

realeugene в сообщении #1283128 писал(а):

50 градусов над кипящей кастрюлей? Не интересно.

Насколько я понял ТС, он привел кипящую кастрюлю для объяснения что он имеет в виду под "паром". А так-то просто "жесткие климатические условия".

[wrest]

ViktorArs в сообщении #1283131 писал(а):

Я раскрою зонтик :) (также про снег, дождь, . . .)

Дело не в зонтике. При ветре (сквозняке и т.п.) на вас или от вас 5 м/с скорость звука будет соотвественно меняться, при ветре поперек направления измерения ветер будет сносить звук вбок, что тоже даст погрешность.

ViktorArs в сообщении #1283131 писал(а):

хотелось бы иметь в худшем случае хотя бы 5 м/с.

Ok, это, примерно, 1,5%.

ViktorArs в сообщении #1283131 писал(а):

расстояния примерно от 20 см до 10-ка метров.

Ок, то есть получается на 20 см нужна погрешность 0,6 мм (при длине волны 9 мм), а на 10 метрах -- 30 сантиметров.
На 20 сантиметрах такая погрешность может и не получиться, на 10 метрах - вполне.

Касательно влияния влажности, тумана и вообще неоднородности среды (а у вас же на пути звуковой волны характеристики среды меняются), то лично мне кажется, что надежные численные оценки вы вряд ли получите без эксперимента, но можно сказать что вряд ли скорость звука поменяется больше чем на 5-7%. Поскольку вы хотите бОльшую точность, то самый надежный метод, как лично мне кажется - эксперимент.
К счастью, всё уже украдено до нас и есть готовые блоки излучателя/приемника и библиотеки работы с ними, с которыми вы можете поэксперементировать, вот например такой: http://amperka.ru/product/hc-sr04-ultra ... nce-module

[EUgeneUS]

ViktorArs в сообщении #1283131 писал(а):

Уважаемые. Я вконец уже ничего не понимаю.

Давайте распутываться.

I. Скорость звука для идеального газа зависит от:
1. Температуры $T$.
2. Показателя адиабаты $\gamma$, который в свою очередь зависит от состава газа (одноатомный, двухатомный, многоатомный).
3. Молекулярной массы газа.

II. Скорость звука для идеального газа описывается простой формулой (есть в википедии).
1. Сложность в том, что воздух - это смесь газов. При этом смесь разных газов (азот и кислород - двухатомные, аргон - одно атомный, а пары воды - трехатомный).
2. Поэтому для расчета скорости звука нужно рассчитать молекулярную массу для смеси газов и показатель адиабаты.
3. Да к тому же для текущего состава смеси.
4. Основную роль в изменении этих параметров играет содержание водяного пара.

III. Итак для идеального газа (смеси идеальных невзаимодействующих газов) нужно:
1. Учитываем, что на Ваших расстояниях (до 10 метров) состоянии атмосферы можно считать одинаковым.
2. Измеряем температуру, измеряем относительную влажность.
3. Рассчитываем скорость звука для данной влажности и данной температуры.
4. Это скорее всего даст точность в единицы процентов. Если можно ограничиться точностью около 10%, то до некоторой температуры (до 50 градусов Цельсия, например, но не до ста, конечно!), то примесью водяного пара можно пренебречь.

А теперь самое интересное. Как Вы заметили, всё вышесказанное относится к идеальному газу \ смеси идеальных газов.
Выделим три случая:
1. Сухой воздух. Это означает, что паров воды в нем нет.
2. Влажный воздух. Который содержит некоторое количество паров воды.
3. Туман, когда уже произошла конденсация некоторого количества влаги.

Так вот, первые два случая хорошо приближаются идеальным газом. А третий - нет. Согласно Ландафшицу, в тумане скорость звука резко падает (по моим оценкам на 30 м/с, или даже больше), при этом падает она скачком. А это значит:
1. Точность измерения становится порядка 10% и даже хуже.
2. Вы получаете не только рассеяние и затухание сигнала, но и отражение от границы "чистый воздух" - туман.

Энергетика дальномера вопрос отдельный, но в контексте работающей конструкции - тоже очень важный. Кроме упомянутой уважаемым realeugene, четвёртой степени ослабления мощности отражённого сигнала в зависимости от расстояния, любые осадки будут дополнительно ослаблять сигнал, и довольно сильно.

-- 11.01.2018, 11:34 --

wrest в сообщении #1283153 писал(а):

но можно сказать что вряд ли скорость звука поменяется больше чем на 5-7%.

В тумане, увы, больше. См. выше.

-- 11.01.2018, 11:36 --

wrest в сообщении #1283153 писал(а):

К счастью, всё уже украдено до нас и есть готовые блоки излучателя/приемника и библиотеки работы с ними, с которыми вы можете поэксперементировать, вот например такой: http://amperka.ru/product/hc-sr04-ultra ... nce-module

Скорее всего, ТС что-то подобное и пытается использовать. Но для экспериментов нужна будет еще камера для моделирования внешних условий.

[realeugene]

EUgeneUS в сообщении #1283155 писал(а):

Но для экспериментов нужна будет еще камера для моделирования внешних условий.

20х20х20-метров

[wrest]

EUgeneUS в сообщении #1283155 писал(а):

В тумане, увы, больше. См. выше.

Может быть а может и нет, все же зависит -- какой именно туман, какая кастрюля, что именно в ней кипит, какая окружающая температура, что с конвекцией и т.п.
Если например ТС хочет определиться стоит ли овчинка выделки, то круг проблем очерчен.
То, что в реальных условиях может оказаться что там такой туман что измерения сильно отличаются от формул, ну так это скорее инженерная задача - померить и внести поправки.
То, что ультразвуковые дальномеры это не какая-то неизведанная фигня, а они существуют, продаются и повсеместно применяются -- очевидный факт. То, что у них сравнительно с рулеткой или лазерным дальномером невысокая точность -- тоже известный факт.
То, что на нескольких метрах в "хороших" (т.е. нормальных) условиях погрешность может быть порядка пары сантиметров -- также известный факт.

EUgeneUS в сообщении #1283155 писал(а):

Но для экспериментов нужна будет еще камера для моделирования внешних условий.

realeugene в сообщении #1283157 писал(а):

20х20х20-метров

Эксперементировать тоже легко, эти ваши "камеры" для моделирования условий весьма распространены и называются "парная": зашел в финскую сауну -- тут тебе зависимость от температуры. Зашел в турецкую -- большая влажность и плотный туман, зашел в русскую - тут тебе и влажность и температура да и туману можно подпустить

[EUgeneUS]

wrest в сообщении #1283160 писал(а):

Может быть а может и нет, все же зависит -- какой именно туман, какая кастрюля, что именно в ней кипит, какая окружающая температура, что с конвекцией и т.п.

Согласно Ландафшицу - от температуры зависит, от удельной теплоты испарения зависит, и от удельной теплоемкости газовой фазы зависит. И всё.
При этом скорость на границе тумана меняется скачком и сильно...

ЗЫ. С банями - хорошо

[wrest]

EUgeneUS в сообщении #1283162 писал(а):

При этом скорость на границе тумана меняется скачком и сильно...

Ну вот, а там где скорость на границе меняется, возникает преломление, отражение на границе, и другие и связанные с этим дополнительные потенциальные проблемы, типа неравенства кратчайшего пути и пути по которому пошел звук...

-- 11.01.2018, 12:10 --

EUgeneUS в сообщении #1283162 писал(а):

Согласно Ландафшицу - от температуры зависит, от удельной теплоты испарения зависит, и от удельной теплоемкости газовой фазы зависит. И всё.

Это если среда однородная по температуре, влажности и т.п.

[realeugene]

EUgeneUS в сообщении #1283162 писал(а):

Согласно Ландафшицу - от температуры зависит, от удельной теплоты испарения зависит, и от удельной теплоемкости газовой фазы зависит. И всё.

Эффекты, связанные с наличием капель, должны быть частотно-зависимыми. Вероятно, это упрощение, валидное для достаточно низких частот.

[EUgeneUS]

wrest в сообщении #1283166 писал(а):

Это если среда однородная по температуре, влажности и т.п.

На расстояниях 10-20 метров эти неоднородности малы. Кроме двух случаев:
1. Есть компактные, "точечные" мощные источники тепла.
2. Туман. Тогда малые изменения этих параметров приводят к скачкообразному изменению свойств среды (скорости звука в ней).

-- 11.01.2018, 12:27 --

realeugene в сообщении #1283175 писал(а):

Эффекты, связанные с наличием капель, должны быть частотно-зависимыми. Вероятно, это упрощение, валидное для достаточно низких частот.

Эффекты в более широком случае - частотозависимые. Рассеяние на каплях (а значит затухание сигнала) растет с ростом частоты.

[wrest]

EUgeneUS в сообщении #1283177 писал(а):

1. Есть компактные, "точечные" мощные источники тепла.

Ака "кастрюля с кипящей водой", ведь ТС заявил диапазон измерений до 10 метров, упомянутая кастрюля тут будет точечным источником, кмк.
Ладно, опять обсуждение немного пустопорожнее. Вы очень всё верно изложили в post1283155.html#p1283155 и теперь очередь ТС спросить то что еще осталось неясным и что могли бы прояснить участники форума.

[realeugene]

EUgeneUS в сообщении #1283177 писал(а):

Эффекты в более широком случае - частотозависимые.

Эффекты испарения/конденсации тоже должны быть частотно-зависимыми.