Physik | Technik
Samira Baumann, 2004 | Oberlunkhofen, AG
In dieser Arbeit wurde die Kommunikation im Süsswasser mithilfe von Ultraschall untersucht, wobei spezifische Arbeiten mit PZT-Keramiken und PVDF-Folien durchgeführt wurden. Für die Unterwasserkommunikation wurde der piezoelektrische Effekt genutzt. Da PZT-Keramiken und PVDF-Folien in der Gamma-Phase den piezoelektrischen Effekt aufweisen, wurden diese für den Bau einer Sender- und Empfängerantenne verwendet. Die Arbeit umfasst den Bau der Antennen, Experimente zur Kommunikation mit Ultraschall, Versuche zur Datenübertragung und den Bau eines ultraschallgesteuerten U-Boots. Zu diesem Zweck wurden Frequenzgenerator, digitales Oszilloskop (DSO), Spektrumanalysator, 3D-Drucker und diverse Zusatzschaltungen verwendet. Die Schlussfolgerung aus dieser Arbeit ist, dass eine Kommunikation mit Ultraschall möglich ist und Daten präzise übertragen werden können. PZT ergab eine Antenne mit grosser Bandbreite und PVDF eine, die sehr sensibel auf 100 kHz reagiert.
Fragestellung
Im Wasser war der Austausch von grossen Datenmengen in kurzer Zeit bisher nur mit Kabeln möglich. Aus diesem Grund war das Ziel dieser Arbeit, ein kabelloses Kommunikationssystem im Wasser zu entwickeln, das Datensätze in einer geeigneten Geschwindigkeit übertragen kann. Daraus ergaben sich folgende Fragen: (I) Ist eine kabellose Kommunikation im Wasser möglich? (II) Welche Materialien eignen sich für eine Kommunikation im Wasser? (III) Wie kann eine möglichst modulare und präzise Antenne hergestellt werden?
Methodik
Als Grundlage zur Lösung dieses Problems wurde der piezoelektrische Effekt genutzt, indem die Materialien PVDF und PZT untersucht und verarbeitet wurden. Mittels PZT-Keramik konnte eine erste Antenne gebaut und mit einem Oszilloskop sowie einem Frequenzgenerator getestet werden. Zusätzlich wurde eine zweite Antenne aus einer PVDF-Folie mittels 3D-Drucker, Drehbank und diversen Berechnungen konstruiert. Die PVDF-Antenne wurde spezifisch auf eine Frequenz von 100 kHz ausgemessen. Mit einer Spektrumanalyse wurde danach die Leistung der Antennen für unterschiedliche Frequenzen bestimmt und verglichen. Zur Datenübertragung wurden mit Python und C auf einem Raspberry Pi Pico und einem Arduino Nano Codes geschrieben, die schliesslich zum Steuern eines ultraschallgesteuerten U-Boots dienten.
Ergebnisse
Die finalen Dimensionen der PZT-Antenne betrugen 35×30 mm, die der PVDF-Antenne 20×8 mm. Bei den Experimenten mit Frequenzgenerator und DSO konnten mithilfe meiner Antennen bereits Ultraschallwellen im Wasser übertragen werden. Das empfangene Signal musste jedoch mit einem Differenzverstärker von 8 mV auf 15 V verstärkt werden, sodass es von Microcontrollern genutzt werden konnte. Ebenfalls konnten erste Zahlenwerte in binärer Form gesendet und auf einem DSO angezeigt werden. Mithilfe einer Spektrumanalyse konnte gemessen werden, dass die PVDF-Antenne bei 100 kHz einen Leistungspegel von 15 dBm und die PZT-Antenne bei derselben Frequenz nur 5 dBm aufweist. Des Weiteren konnte mit der PVDF-Antenne ein ultraschallgesteuertes U-Boot gebaut werden. Dieses konnte durch eine zusätzlich konstruierte Plattform, die elektromagnetische Wellen in Ultraschallwellen übersetzt, angesteuert werden. Dabei wurde eine Verzögerung von 0.3 Sekunden gemessen, die auf elektronische Bauteile sowie den Code zurückzuführen ist.
Diskussion
Die Ergebnisse zeigten, dass eine Datenübertragung mithilfe von Ultraschall möglich ist. PVDF erwies sich als geeigneteres Material als PZT, da sowohl die Dichte nahe bei der von Wasser als auch die Kompressibilität höher ist. Dies führte zu weniger Reflektionen des Signals, was auch mit den Messungen der Spektrumalanyse bestätigt werden konnte. Da die PVDF-Antenne schmal und kurz gebaut ist, kann diese vielseitig verwendet werden. Die Verzögerung von 0.3 Sekunden lässt sich durch optimierten Code sowie eine angepasste Bauweise der Sender- und Empfängerseite weiter reduzieren.
Schlussfolgerungen
Mithilfe meiner Antennen konnte ein System für die Unterwasserkommunikation entwickelt werden. Im Gegensatz zur bereits existierenden akustischen Datenübertragung ist jene mit Ultraschall um ein Vielfaches schneller und somit vielseitig anwendbar. Ein konkretes Anwendungsbeispiel in Form eines ultraschallgesteuerten U-Boots wurde im Bericht aufgezeigt. Um die Nutzbarkeit dieses Kommunikationssystems weiter zu spezifizieren, muss die maximale Reichweite in diversen Gewässern sowie bei unterschiedlichen Temperaturen getestet und ausgewertet werden. Grosses Potential für die Ultraschallkommunikation sehe ich im Bereich der Wasserqualitätsüberwachung, Meeresforschung, Metrologie und Kommunikation.
Würdigung durch den Experten
Hansjürg Glur
Die vorliegende Arbeit deckt das Thema von den theoretischen Grundlagen bis zum selbst gebauten ferngesteuerten U-Boot als praktische Anwendung ab. Dabei treten mehrere Probleme auf, welche Samira Baumann durch systematisches Vorgehen und frühe Tests eliminieren oder umgehen kann. Danach werden die benötigten Komponenten mit viel Geschick und Fachwissen entworfen und gebaut – die wasserdichte Ultraschallantenne, die elektronischen Schaltungen und die Firmware von Sender und Empfänger. Zuletzt wird das U-Boot konstruiert und gebaut und dessen Servomotoren erfolgreich unter Wasser angesteuert.
Prädikat:
hervorragend
Sonderpreis «Stockholm International Youth Science Seminar (SIYSS)» gestiftet von der Metrohm Stiftung
Kantonsschule Wohlen
Lehrer: Dr. Georg Grafendorfer
