Sonar

Použité senzory: Mikrofon, reproduktor

Kategorie: Akustika

Potřeby: Mobilní telefon s aplikací Phyphox, pěnový materiál (např. z obalů), tlusté oblečení nebo polštáře k izolaci zvuku, rovná odrazná plocha (např. plochý plechový tác), metr (k ověření výsledku)

Teorie:

Sonar je metoda, která využívá zvukové vlny k detekci a měření vzdáleností objektů. Zvukové impulsy jsou vysílány do prostoru a následně se odrazí od překážek zpět ke zdroji. Doba mezi vysláním impulzu a zachycením ozvěny se přepočítává na vzdálenost pomocí známé rychlosti zvuku. Tento princip využívají zvířata, jako jsou netopýři nebo delfíni, stejně jako technologie v námořnictví nebo průmyslu, například k mapování mořského dna.

Aplikace Phyphox umožňuje využít reproduktor mobilního telefonu k vysílání krátkých zvukových impulzů a mikrofon k záznamu ozvěn. Z výsledných dat lze určit vzdálenosti k odrazným plochám a pozorovat jejich změny.

Postup:

V aplikaci Phyphox zvolte experiment "Sonar". Telefon umístěte do improvizované zvukové izolace vytvořené z pěnového materiálu, polštářů nebo tlustého oblečení, přičemž nechte jednu stranu volnou směrem k odrazné ploše. Tuto zvukovou izolaci potřebujeme z toho důvodu, abychom dostávali co nejméně zvukových odrazů od okolních stěn, objektů apod. Jako odraznou plochu lze použít rovný plechový tác nebo jiný pevný materiál.

Pro jednodušší ovládání můžete zvolit vzdálené ovládání, jehož nastavení je popsáno v úvodu tohoto materiálu. Spusťte experiment v aplikaci. Telefon začne vysílat opakované zvukové impulsy (tzv. "chirp", zvukový signál s rychle stoupající frekvencí od 1 kHz do 4 kHz) a současně zaznamenávat ozvěny pomocí mikrofonu. Vzhledem k tomu, že tento zvuk je velmi specifický, dokáže ho telefon rozeznat od ostatních zvuků v okolí. Aplikace zobrazuje grafy ukazující vzdálenosti, na kterých byly ozvěny zachyceny. Pohybujte odraznou plochou a sledujte, jak se odpovídající špičky v grafu mění s její vzdáleností od telefonu.

Zpracování dat zahrnuje výpočet korelace mezi vyslanými impulzy a zaznamenanými ozvěnami. Největší korelace odpovídá přímé trase od reproduktoru k mikrofonu, která se považuje za počáteční bod měření. Doba ozvěny je přepočítána na vzdálenost pomocí rychlosti zvuku ve vzduchu (343 m/s) a výsledky jsou děleny dvěma, aby odpovídaly skutečné vzdálenosti.

Poznámky:

Pro dosažení nejlepších výsledků provádějte experiment v co nejvíce klidném prostředí. Pokud jsou výsledky zkreslené nebo nepřesné, zvyšte hlasitost telefonu nebo použijte externí reproduktor a mikrofon. Náhodné špičky v grafech mohou být způsobeny hlukem, zatímco pevné špičky na stejných místech často indikují špatnou zvukovou izolaci. 

Demonstrační videa (v angličtině a němčině):

youtube.com/watch?v=Ebj3v701HE0

youtube.com/watch?v=3JtJoJAAgKU

Anglický návod na https://phyphox.org/wiki/index.php/Experiment:_Sonar