4.3 Ses Temelli Mesafe Algılayıcıları

Duyma eşiği, kulağın fark edebileceği en düşük basınç değişikliğine verilen addır, bu değer atmosfer basıncına 10^-9 bir orana sahiptir. Acı eşiği ise bunun 10⁵ katı büyüklüğünde ancak yine de atmosferik basıcın binde biridir. Bu sınır geçildiğinde kalıcı sağırlık gerçekleşir. Duyma algısının bu denli geniş bir alana yayılmış olması yüzünden ölçümler logaritmik bir cetvelle desibel mertebesinde yapılır.

Ses gücü her yönde harcanan ses gücünün toplamıdır. Watt cinsinden ölçülür. Ses yoğunluğu ise bir birim alan üzerindeki enerji akışına verilen addır. Birden fazla kaynak olduğunda logaritmik toplama işlemi yapılır, buna uygun olarak iki eş kaynak ses gücü seviyesinde 3 db lik bir artışa yol açarlar.

Ses kullanarak mesafe ölçümleri yapılması mümkündür. Bunun için önce bunun altında yatan temel prensiplere bakılmalıdır. Farkedilen sinyal, yayınlanan sinyal ile dedektörün impuls tepkisine eşittir. Noktasal bir kaynaktan yayılan enerji 1/z² ile yayılır. Dalga genliği ise 1/z şeklindedir.

Çizgisel bir kaynakta ise enerji 1/z ile yayılırken dalga genliği 1/z² dir. Alansal bir kaynaktan yayılırken ise eneri ve dalga genliği mesafeden bağımsızdır. Ancak uzak mesafeden belli bir alana sahip bir kaynak, noktasal kaynak gibi algılanır ve 1/z² yine geçerli olur. Uzun mesafelerde sinyal noktasalmışcasına değer kaybeder.

Bunlara ek olarak uzak mesafelerden sonlu bir kaynağın dalgasınırı yüzeysel dalgalar gibidir. Kısa mesafe değişiklikleri için sinyal mesafeden bağımsızdır.

4.3.1 Ultrason Temelli Mesafe Ölçümleri

Bu tip sistemlerde bir alıcı ve bir verici veya bazen iki işlevi birden gören bir alıpverici olacaktır. Elektrostatik bir çalışma prensibi olan bir membran (Polaroid makinalarda buna benzer bir düzenek vardır ve 50 ile 6 khz arası çalışır) gereklidir. Buna alternatif bir yöntem olarak basınçla-değişir-elektriksel polimerler (pvdf) veya seramikler kullanılabilir.

Bu sistemde birden fazla sefer paketler yayımlanır ve ekonun alındığı zaman ölçülür. Bu zamana uçuş zamanı da denir. Bu zamanın mesafelerin ölçümünde kullanılmasında ses hızının bildiğimiz değerinin değişmediği ya da çvresel sıcaklığa ağlı olarak ihmal edilebilir bir biçimde değiştiği varsayılır. Genelde tam ölçüm yapabilmek için uyan bir filtre kullanılması gereklidir ancak genelde bu yöntem kullanılmaz ve belli bir sınır geçtiği zaman ekonun tespit edildiği bir yöntem tercih edilir.

Genelde bu yöntemle duvarlar kırık yaylar olarak gözükecektir. Eğer uyan bir filtre kullanılırsa gelen ve giden sinyallerin birleşimi alınır. Bu şekilde bir görüntü elde edilir. Ancak bu sıklıkla başvurulmayan bir yöntemdir. Bu sistemde karşılaşılacak objeler şunlardır:

Duvarlar ve düz dikey yüzeyler:

duvarlar akustik yansıtıcılar olarak davranırlar.

Köşeler:

duvarların buluştuğu içbükey dihedral dik açılar. Tekli enerji ileten bir araç köşeleri duvarlardan ayıramaz.

Kenarlar:

dışbükey dihedral dış açılar. Çizgisel kaynaklara karşı alan kaynakları gibi davranırlar.

Ultrasonla mesafe ölçümünde deki ana dezavantaj nesnelerin yüzeyinden gerçekleşen yansıma ile ile ilgili problemlerdir. Buna aynasal yansıma adı da verilir. Yansıma yönü gelen ses dalgasının yüzeyle yaptığı açıyla ve yüzeyin şekliyle ilgilidir. Geliş açısı ne kadar ufak olursa, sesin yansıma yapmadan yüzeyi sıyırması ihtimali o kadar yükselir, ve bu şekilde hatalı bir uzak mesafe ölçümü yapılır. Bu duruma aynasal denmesi sebebiyse, kaygan yüzeyler, yansıtıcı özellikleri ile bu sorunun büyümesine yol açarlar. Daha kaba yüzeylerde ise düzensiz yansımalardan birinin geri dönme ihtimali daha yüksektir.

Uzak mesafelerde ise ölçümlerin kesinliği büyük oranda düşecektir, bunun sebebi yanlış ölçümlerin dönmesi ihtimalinin yüksek olmasıdır. Bu dezavantajlarına rağmen ultrason ölçümleri hareketli robot uygulamalarında sıklıkla uygulanmaktadır, bu uygulamalar arasında iç mekan ve dış mekan haritalarının çıkarılması da yer almaktadır.

Ultrason kullanarak mesafe ölçümleri yapma fikri temelini doğadan alır. Yarasalar yer tayin etmekte, görüntü yerine ultrason kullanılar buna ekolokasyon denir, ağızlarında veya bazen burunlarında (nal burunlu yarasalar) bulunan bir organ yardımıyla insan yapımı sonarlara oranla son derece karmaşık bir şekilde, yönlerin tayin ederler. Bu şekilde yuvalarını yaptıkları mağaralarda, yüzlerce hemcinsleri arasında yönlerini bulabildikleri gibi, deniz yüzeyine santimetre mertebesinde bir yakınlıkla uçan bir kelebeği bile tespit edebilirler.

4.3.2 Ultrason Görüntüleri

Sesin kan ve vücutta yol alırken hızı sabit değildir, dolayısı ile üretilmiş araçlar aracılığı ile kesin ölçümü de makul değildir. Ancak ortalama değerler ile çalışmak bile doyurucu sonuçlar verebilir. Bu kıvalitatif ölçümler, hastalık teşhisi için kullanılır. Ancak kesinlikle görüntü tabanlı beyin cerrahisi için kullanılmaz, bu tarz bir iş için 1 mm mertebesinde hareket kesinliği ve 0.1 mm mertebesinde uç nokta hassasiyeti gereklidir. Dokuların, derinin, yağın ve kasların akustik özelliklerinin göz ardı edilmesi bunu mümkün kılmamaktadır.

Ultrason ölçümlerinde özel bir bölge incelenip duruma uygun ayarlama imkanlarının olup olmadığına bakılabilir. Burada çıkacak sorun birden fazla paralel homojen katman varlığı, bir katmanda sesin hızının belirlenmesi zorluğu ve kalınlığı azalan katmanlardır.