Ultrasound in the animal world

Our distance and proximity sensors work with the ultrasound principle. We use ultrasonic frequencies, i.e. frequencies above 20kHz, as these are rare in nature and thus the sensors are not disturbed. Moreover, man hears no such high frequencies. Incidentally, they are also completely harmless, because the sound energy is extremely small. Industrial ultrasonic sensors operate at frequencies of approximately 80…400kHz, depending on what characteristics the sensor shall have. The greater the required measuring distance is, the lower frequencies must be used.

Few creatures also make use of ultrasound for guidance. These are mainly the dolphin (in water) and the bat (in the air, as our sensors). Both have bad organs of sight and send ultrasonic waves up to 200kHz. In addition, also other creatures can hear frequencies above 20 kHz although they probably don’t have a benefit for their orientation:

Man 20kHz, Dog 50kHz, Cat 60kHz, Grasshoper 95 kHz, Shrew 115kHz

The dolphin transmits and receives ultrasonic waves in water in order to detect obstacles and beasts of prey. Since the acoustic impedance of water is about 3000 times higher than that of air, both waves generated by animal as well as by technique reach much farer in water than in air.

For the bat living in air it is more difficult. Its high-frequency sound waves do not extend so far. But it also has the most advanced ultrasonic location system. The high frequency enables it to get a very fine local resolution. The ultrasonic cries of bats are produced in the larynx and emitted through the mouth to the outside. When the emitted waves meet a flying body, e.g. a small prey animal, they are reflected and returned to the ears, which serve as a sound signal receiver. The hearing organs of bats must have an amazingly good sound analysis capability. It is believed that due to only microsecond short differences in time of sound flight between the left and right ear they are able to get a three-dimensional acoustic image. Therefore a bat can orient itself with their ears in the absolutely dark, as we do with our eyes at daylight.

As engineers we need to give us once more defeated by nature.

Ultrasonic sensors in road and tunnel construction

During the construction of major highway and railway projects, particularly in tunnel construction, huge quantities of excavation occur. When the mining takes years, it is worth to use giant conveyor belt systems. Such installations may be several kilometers long and have a capacity of more than 1000 tons/hour. These belts are of course fully automated. This creates the risk that the excavation blocks the hopper at the transfer points from one band to another.

For permanent monitoring of the transfer stations robust ultrasonic sensors are used. They look down into the hopper and report if the level exceeds a certain value. The plant will then be slowed or stopped accordingly. Suitable ultrasonic sensors from Waycon Positionsmesstechnik are those of the UN series. The outstanding feature of the UN series is its high acoustic power combined with small sensor size. This is achieved with new optimized SONARANGE transducers, working at high electrical voltages. Thus also small, moving and poorly reflecting objects can be safely detected. Moreover the sensors work also under high contamination. With a length of <40mm the UN sensors are the most compact ultrasonic sensors for such high measuring ranges.

Langzeitversuche mit Ultraschallsensoren

Ultraschallsensoren werden dank ihres vorteilhaften physikalischen Prinzips häufig dann eingesetzt, wenn zum Beispiel optische Sensoren wegen starker Verschmutzung oder rauhem Umfeld nicht mehr zuverlässig funktionieren. Umsomehr ist darauf zu achten, dass die Sensoren auch von der Elektronik und Mechanik her auf Robustheit und lange Lebensdauer ausgelegt sind.

Die Geräte sind ununterbrochen eingeschaltet, und sie werden periodisch ausgemessen. Mittlerweile sind bei einigen Sensoren 65’000 Stunden aufgelaufen, und sie messen noch wie am ersten Tag. Neben den Elektronikkomponenten ist der Schallwandler das heikelste Teil. Er stellt eine akustische Membrane dar, die ca. 30mal pro Sekunde elektromechanisch angeregt wird. Die Amplitude im Zentrum wurde als ein paar wenige Mikrometer gemessen. Und die Sendedauer für einen Puls beträgt ca. 0.1 Millisekunden. Bei einer typischen Ultraschallfrequenz von 200kHz ergibt sich damit eine während dem Langzeitversuch aufgelaufende Anzahl Membranschwingungen von etwa 10¹¹. Das sind 100 Milliarden Schwingungen. Die Membrane, von der man nicht wahrnimmt, dass sie sich bewegt, hat sich in der Zeit gut 200km hin und 200km zurück bewegt.
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Ultrasonic sensors are often used thanks to their advantageous physical principle when, for example, optical sensors do not work properly due to heavy dirt or rough environment. All the more it is important that the sensors electronics and mechanics are tuned for ruggedness and long service life.

The devices are permanently turned on and they are checked periodically. Meanwhile, some of the sensors have accumulated 65’000 hours, and they measure the same as on the first day. Besides the electronic components, the ultrasonic transducer is the most critical part. It represents an acoustic diaphragm which is electromechanically excited approx. 30 times per second. The amplitude in the center was measured as a few micrometers. And the transmission duration of one pulse is about 0.1 milliseconds. Thus with a typical ultrasonic frequency of 200kHz the accumulated number of membrane oscillations during the whole endurance test is around 10¹¹. That’s 100 billion oscillations. The membrane, of which one does not perceive that it is moving, has passed 200km forth and to 200km back in this time.

Ultraschallsensoren im Einsatz beim Abpacken von Schnittblumen

Die Einsatzmöglichkeiten von Ultraschallsensoren sind sehr vielseitig

Schnittblumen, die in grossen Mengen international ausgeliefert werden, müssen frisch, rationell aber trotzdem sehr sanft verarbeitet und verpackt werden. In einer vorliegenden Blumen-Verpackungsmaschine wird erkannt, wann wieder ein Blumenstrauss in der Wanne zum Umpacken bereit liegt. Ein Ultraschallsensor der Serie UFA schaut von oben auf die Blumen herab und gibt ein "da / nicht da" Signal aus. Der Ultraschallsensor wurde gewählt, weil nur er in der Lage ist, die sehr unterschiedlichen Formen, Farben und Oberflächen der Blumen zuverlässig zu detektieren.

Warum Ultraschall?

- unabhängig von Material, Oberfläche, Farbe, Grösse

- arbeitet bei Staub, Schmutz, nebel, Licht

- tastet transparente und glänzende objekte ab

- weite Messbereiche von wenigen mm bis 5m

Herausragende Merkmale der UFA Serie sind die kleine sowie die Version mit um 90° abgewinkeltem Schallwandler für besonders enge Einbauverhältnisse. Die Sensoren sind sowohl als reine Nährungsschalter als auch als Distanzsensoren mit Analogausgängen in V oder mA erhältlich. Geeignete Anwendungen sind die Objekterkennung sowie Distanz- oder Füllstandsmessung. Dank der neuen Schallwandler-Dichtung sind die UFA Sensoren gegen viele Umwelteinflüsse sehr robust. Insbesondere sind sie im Gegensatz zu vielen anderen Ultraschallsensoren ölbeständig.