Introduction : Les ultrasons sont des ondes sonores ayant une

I.
Introduction :
Les ultrasons sont des ondes sonores ayant une fréquence supérieure à 20000Hz,
c’est-à-dire au-delà du seuil d’audibilité de l’oreille humaine.
Dès 1822, un physicien suisse utilise les ultrasons pour mesurer la vitesse du son
sous l'eau.
En 1883, Galton invente un sifflet à ultrasons. En soufflant dans ce sifflet,
l'homme ne perçoit rien, alors que les chiens réagissent.
En 1912, 1 mois après le naufrage du TITANIC, naît l'écho radar sous-marin
appelé SONAR.
En 1942, un médecin (DUSSIK) utilise ultrasons pour le diagnostic médical.
En 1961, les ultrasons sont utilisés pour visionner des images de fœtus.
D'abord utilisé dans le domaine militaire, puis dans l'exploration des mondes
sous-marins et dans le domaine de la médecine, les ultrasons sont utilisés depuis
20 ans dans le domaine de la beauté. Pour l'être humain, l'ultrason ne s'entend
pas alors que de nombreux animaux le comprennent clairement.
Qu’est-ce qu’un télémètre à ultrasons?
Un télémètre à ultrasons sert à mesurer une distance. Le principe, inspiré de la
chauve-souris, est d’envoyer une salve d’ultrasons vers un objet les
réfléchissant, tel qu’un mur ou une vitre, et de capter l’écho renvoyé par cet
objet. On accède à la distance séparant le télémètre de cet objet en mesurant le
temps que met l’écho pour revenir au télémètre. Connaissant la vitesse du son,
on déduit la distance cherchée. Les avantages d’un tel moyen de mesure sont
multiples. On n’est plus obligé de disposer d’un objet de référence tel qu’un
mètre, la mesure est rapide même sur plusieurs mètres, et on peut, sans risque,
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mesurer des distances difficiles d’accès. Par exemple, on peut facilement relever
la hauteur d’un plafond.
1. Les types de capteur ultrasonique
 détection de présence ou de non présence d'objets (tout ou rien).
 évaluation de la distance séparant l'objet du détecteur (système analogique
souvent sortie 4 – 20 mA).
 évaluation de la distance séparant l'objet du détecteur (système analogique
- numérique sortie sur 8 bits). Permet le traitement par automates
programmables et P.C.
2. Objectifs du projet :
Le sujet de notre projet est l’étude d’un télémètre ultrason avec simulation pour
mesurer la fréquence et la période d’un ultrason, ainsi que sa vitesse et
déterminer la distance d’un objet de l’appareil grâce aux ultrasons.
3. Structure adoptée :
Les objectifs étant fixés ; Nous avons donc établi la structure générale de notre
télémètre.
Cette structure est modulaire, afin de la rendre aussi claire que possible
Du fonctionnement du télémètre se dégagent trois modules: un module
d’émission, un module de réception et un module qui permet d’afficher la
distance mesurée. De plus, un module de commande interagissant avec les trois
autres est nécessaire pour contrôler le fonctionnement de l’ensemble du
télémètre.
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Figure 1 : Schéma global du system
4. La paire de transducteurs :
Les composants les plus importants et les plus incontournables pour notre projet
sont les deux transducteurs piézoélectriques. En effet, c’est cette paire de
transducteurs qui nous a permis de transformer l’énergie électrique en énergie
sonore (pour le transducteur émetteur) et de convertir le signal sonore reçu en un
signal électrique utile.
Puisque tout le montage doit être construit autour de ces composants et va
dépendre de leur fonctionnement, nous avons jugé nécessaire de procéder à une
étude expérimentale de la paire émetteur/récepteur, plutôt que de nous baser
uniquement sur les données du constructeur qui peuvent s’avérer légèrement
approximatives lorsqu’on passe d’une paire de transducteurs à une autre.
L’objectif principal de cette étude a évidemment été de déterminer leur
fréquence de résonance, c’est à dire la fréquence avec laquelle on doit alimenter
le transducteur émetteur.
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L’étude consiste à placer l’émetteur et le récepteur l’un en face de l’autre distant
d’environ 1 cm (cela permet d’avoir en réception un signal de grande amplitude
facile à étudier). On évite ainsi les problèmes liés à la réflexion de l’onde sonore
sur un obstacle. En outre, on alimente l’émetteur (avec un GBF) avec une
tension sinusoïdale d’amplitude 5V et de fréquence variable. La courbe de gain
(figure 2) représentée à la page suivante est donc obtenue.
En conclusion, nous utiliserons une fréquence de 40 kHz pour l’alimentation de
l’émetteur.
En outre, la paire de transducteurs est très sélective. Ainsi lorsqu’on alimente
l’émetteur avec un signal carré seul le fondamental peut être reçu en sortie du
récepteur. Enfin nous avons noté que le gain est indépendant de l’amplitude de
l’excitation et remarqué la présence d’une deuxième fréquence de résonance à
55.5 kHz avec un gain de –13.98 dB.
La partie suivante va donc s’attacher à expliquer comment générer le signal de
40kHz qui va alimenter l’émetteur.
Figure 2 : Courbe de gain
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II.
Le module d’émission :
Il s’agit d’un générateur d’ultrasons de fréquence nominale 40 kHz. Un
interrupteur permet de choisir entre deux modes d’émission :
- Emission en continu
-Emission par salves (de durée 0,7 ms avec une période de répétition de
17 ms)
Pour le schéma électrique nous proposons une adaptation:
-sans quartz (car la valeur 40 kHz est difficile à trouver).
-avec un seul type de porte (4011B, quadruple porte NAND en
technologie CMOS).
- avec de plus, la possibilité d’émettre en continu (sélection par
interrupteur).
 Schéma électrique :
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II.1. L’horloge à 40 kHz :
Une solution simple pour générer un signal de 40 kHz est d’utiliser un
multivibrateur astable NE555 qui permet dans une configuration donnée (voir
figure 3) de fournir un signal créneau.
Figure 3 :multivibrateur astable
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Le circuit est alimenté en 12V et les valeurs des résistances et du condensateur
permettent de fixer la fréquence et le rapport cyclique. (f=1.44/(R2+2R3)*C et
R2/(R2+2R3)) Si R3>>R2 alors le rapport cyclique est proche de 0.5, ce qui
permet d’avoir l’amplitude du fondamental maximale (seul pris en compte par la
paire de transducteurs). En outre, l’utilisation d’un potentiomètre pour R3
permet d’ajuster précisément la valeur de la fréquence, afin d’être très
exactement à la fréquence de résonance de la paire de transducteur. Nous avons
donc choisi les valeurs suivantes :
C=22nF ; R2=1MΩ ; R3=47kΩ+potentiomètre de 4.7kΩ.
Enfin le NE555 possède une entrée reset qui lorsqu’elle est à 1 autorise le signal
d’horloge et lorsqu’elle est à 0 l’inhibe ce qui permettra de commander
l’émission.
En sortie (A), on obtient un signal logique (0 V / 15 V, compatible CMOS) dont
la fréquence
Dépend des résistances R2 et R3 et de la capacité du condensateur C :
Le rapport cyclique est donné par :
Le rapport cyclique est toujours supérieur à 50 %.
On choisit (R2>> R3) pour avoir un rapport cyclique proche de 100 %.
Les deux entrées de la porte NAND 4011B (U2A) sont reliées,On obtient ainsi
une porte inverseuse.
En sortie (B), on a donc un signal logique de période 16,7 ms et de rapport
cyclique :
(100 – 95,7) = 4,3 %
Cela correspond à une impulsion de niveau haut de durée 0,7 ms :
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 Emission en continue :
En sortie (D), on obtient un signal logique de rapport cyclique 50 % et de
fréquence :
Le potentiomètre P1 règle la fréquence d’oscillation, dans la plage :
Le potentiomètre P1 est réglé, une fois pour toutes, pour une fréquence de 40,0
kHz :
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 Emission en salves :
L’interrupteur est en position « émission en salves ».
La broche 5 (C) est reliée à la sortie de la porte U2A (B).
Le signal de la broche est donc une impulsion périodique :
- Au niveau haut pendant 0,7 ms
- Au niveau bas pendant 16,7 – 0,7 = 16,0 ms
Avec une entrée au niveau bas, la sortie de la porte U2B est nécessairement au
niveau haut et la sortie de l’oscillateur (D) est bloquée au niveau bas.
Avec la broche 5 au niveau haut, la sortie de l’oscillateur (D) délivre un signal
de fréquence
40 kHz (on retrouve le cas de l’émission en continu).
On a donc créé un générateur de salves :
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II.2. La transmission de puissance à l’émetteur :
Dans un premier temps, nous avons pensé alimenter l’émetteur directement avec
le signal d’horloge généré par le NE555. Deux problèmes se sont opposés à
l’utilisation de cette solution :
• Le transducteur se comporte comme un circuit RLC série et donc perturbe le
signal d’horloge, ce qui est néanmoins peu contraignant.
• La puissance transmise au transducteur est faible, ce qui est très contraignant
car c’est ce qui va principalement limiter la portée du télémètre.
Finalement, nous avons opté pour l’utilisation d’un doubleur de tension (voir
Figure 4). Au lieu d’avoir 12V d’amplitude crête à crête, il y a 24V.
Figure 4 : l’Onduleur de tension
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




 Alimentation de l’émetteur d’ultrasons
L’émetteur d’ultrasons est alimenté par un montage en pont constitué de portes
NAND, qui délivre une tension alternative en forme de créneau (+12 V / -12
V), de rapport cyclique
50 % et de fréquence 40 kHz :

Oscillogramme de la tension u EF :
Le condensateur C3 est nécessaire pour bloquer la composante continue (pour le
Fonctionnement en émission par salves).
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 Et le module d’émission se résume donc au schéma de principe suivant :
Figure 5 : Le module d’émission.
III . Le module de réception :
Il s’agit d’un détecteur d’ultrasons, dont le maximum de sensibilité est situé à la
fréquence de 40 kHz.
Quand des ultrasons sont détectés, une LED s’allume , Un potentiomètre permet
de régler le seuil de détection.
 Schéma électrique :
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III.1. Le montage :
III.1.1 Le capteur d’ultrasons :
La détection d’ultrasons est basée sur les propriétés piézoélectriques des
céramiques.
Le maximum de sensibilité se trouve à la fréquence de 40 kHz, ce qui
correspond au domaine D ’ ultrasons.
La directivité du capteur est de 50 degrés.
Mais dans notre projet nous utilisons un générateur à la place de ce capteur
ultason , Pour générer une fréquence de 40khz.
III.1.2 Analyse du fonctionnement :
Le générateur génère une tension alternative image des ultrasons
reçus :
 L’amplitude augmente avec le niveau acoustique
 La fréquence de cette tension correspond à la fréquence des ultrasons
 Le signal du générateur est appliqué à l’entrée d’un filtre passe-haut à
amplificateur opérationnel ,(TL071 ou équivalent).
La fréquence de coupure (à -3dB) est donnée par la relation :
Au dessus de cette fréquence de coupure, l’amplification en tension du filtre est :
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En sortie du filtre, on a donc le signal utile (40 kHz) amplifié et débarrassé de sa
composante continue.
 Le rôle du détecteur d’amplitude est d’extraire la valeur crête d’une
tension alternative.
En sortie du détecteur d’amplitude, on obtient donc une tension continue
positive qui suit le niveau acoustique des ultrasons.
 Le détecteur de seuil est un comparateur simple (LM358).
Quand le niveau acoustique est suffisamment grand (cela dépend du réglage du
potentiomètreP1), la sortie du comparateur est au niveau bas, la LED s’allume.
En l’absence d’ultrasons ou en présence d’ultrasons d’un niveau acoustique trop
faible, la sortie du comparateur est au niveau haut, la LED est éteinte.
IV - Le module d’affichage :
La fonction de ce module est d’afficher le résultat de la mesure. Il reçoit en
entrée un signal de l’automate qui passe au niveau haut au début de l’émission et
qui retourne à l’état bas lors de la réception de l’écho.
IV.1. Nécessité de compter à 17,05 kHz :
Le principe utilisé est l’incrémentation d’un compteur tous les deux centimètres
parcourus par la salve d’ultrasons, ce qui correspond à un centimètre dans le
sens aller et un centimètre dans le sens retour. Etant donnée la vitesse de
propagation des ultrasons, on déduit la fréquence d’incrémentation du compteur
: f=1/T=v/(2d) avec d=1 cm et v=341 m/s. Numériquement, f=17.05 kHz.
On peut noter qu’on suppose constante la valeur de v, alors qu’elle dépend du
milieu de propagation (de sa masse volumique, de la pression, de la
température).
Le module se décompose donc en trois sous-parties : une horloge, un compteur,
et un afficheur.
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Figure 6 : module d’affichage
V. Le module de commande :
La fonction du bloc commande est de gérer le fonctionnement global du
télémètre. Il interagit donc avec les modules de la partie opérative du système, le
module d’émission et le module de réception, et avec le bloc d’affichage. Il leur
fournit des signaux de commande et reçoit de leur part des informations sur le
déroulement du cycle de mesure, que nous détaillons ci-dessous.
V.1. Déroulement du cycle de mesure :
Lors d’une demande de mesure par l’utilisateur, le compteur est remis à zéro et
lancé, et, simultanément, l’émetteur envoie une salve d’ultrasons d’une durée de
0.26 ms. Le compteur est arrêté dès réception de l’écho. Cependant,
immédiatement après l’émission, le récepteur capte le signal émis, qui peut être
pris pour le retour de l’écho. Or, ce signal ne doit pas déclencher l’arrêt du
compteur, c’est pourquoi pendant une durée de 0.68 ms après le début du cycle,
l’arrêt du compteur ne peut se faire, même si le récepteur capte un signal.
Dans le cas où aucun écho n’est reçu, le compteur ne s’arrête pas, mais est de
toute façon remis à zéro lors d’une nouvelle demande de mesure.
Dans le cas où aucun écho n’est reçu, le compteur ne s’arrête pas, mais est de
toute façon remis à zéro lors d’une nouvelle demande de mesure.
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Première solution envisagée: Utilisation d’un automate :
Notre première idée a été de réaliser un automate à l’aide d’un circuit
programmable GAL isp22V10C. L’avantage de cette solution est sa grande
souplesse: en effet, il est très facile de tester plusieurs cycles de mesure en
reprogrammant le circuit. Le déroulement de la mesure pouvait être amélioré,
sans rendre le montage plus complexe. Notamment, il était possible de prendre
en compte le cas où aucun écho n’est capté, et de stopper le compteur en attente
d’une nouvelle demande de mesure.
L’automate devait utiliser la même horloge que le compteur (17.05 kHz),
possédait trois entrées, la demande de mesure, l’information de réception de
l’écho, et l’information selon laquelle le compteur avait atteint son maximum
(ce qui signifiait qu’aucun signal n’avait été reçu), et pilotait quatre sorties, la
remise à zéro du compteur, l’ordre de compter (ou non), l’autorisation d’émettre,
et l’ordre de remettre à zéro le signal « écho capté » tant que le délai de 0.68 ms
n’était pas passé.
Néanmoins, nous n’avons finalement pas retenu cette solution pour plusieurs
raisons. Tout d’abord, ce circuit programmable doit fonctionner avec une
alimentation 0/5 V, tandis que le reste du circuit, et en particulier le module de
réception, fonctionne entre 0 et 12 V. Nous aurions donc eu à ajouter un
régulateur pour fournir l’alimentation de 5 V. Mais surtout les signaux logiques
que s’échangent les modules auraient nécessité un réajustement, à l’aide de
comparateurs.
La deuxième raison, et la principale, est que nous nous sommes rendus compte
qu’au prix d’une légère simplification du cycle, il était parfaitement possible de
concevoir la partie commande à l’aide de circuits moins complexes et donc
beaucoup moins coûteux qu’un circuit programmable. Nous avons donc retenu
une autre solution, que nous allons détailler.
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Solution retenue :
En fait, la remise à zéro du compteur, l’ordre d’émettre, et la neutralisation de la
prise en compte d’une réception s’effectuent dès la demande de l’utilisateur et
durent un temps constant et prédéfini. Un circuit monostable, qui fournit un
signal à l’état haut pendant une durée donnée, est tout à fait adapté.
Nous avons donc utilisé trois circuits monostables 4538. La durée de l’impulsion
est réglable à l’aide d’un condensateur et d’une résistance, et nous avons retenu
un câblage qui évite la relance de l’impulsion à chaque rebond de l’interrupteur•
Pour la remise à zéro du compteur, qui est asynchrone, l’impulsion dure 0.026
ms, temps inférieur à la période d’horloge du compteur (0.058 ms) afin de ne
pas provoquer une erreur sur la distance comptée. (R=2.6KΩ C=10nF)
• L’autorisation d’émettre dure 0.26 ms, ce qui correspond à une salve de 10.4
périodes, puisque la fréquence du signal émis est 40 kHz. (R=2.6KΩ C=100nF).
• On empêche la prise en compte d’un signal de réception pendant 0.68 ms.
(R=6.8KΩ C=100nF)
C’est une durée qu’on règle expérimentalement en mesurant le temps pendant
lequel on reçoit un signal qui ne correspond pas à l’écho. Ce temps dépend de la
position relative du récepteur par rapport à l’émetteur et détermine la distance
minimale que le télémètre peut mesurer. Nous évaluons, avec nos réglages, cette
distance minimale à 12 cm.
Enfin, le module de commande doit piloter le déclenchement et l’arrêt du
compteur. Nous avons utilisé une bascule RS, et plus précisément un circuit
4043 à Set prioritaire. Sur l’entrée
Reset est connecté le signal carré de sortie du module de réception. Sur l’entrée
Set est connectée la sortie du monostable qui inhibe la réception du mauvais
signal. Les chronogrammes suivants récapitulent de façon schématique le
fonctionnement du module de commande.
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VI. Exemple sur les capteurs ultrasons :
VI.1.Télémètre de marche arrière pour véhicule :
Les véhicules modernes sont de plus en plus souvent équipés d'un télémètre. Ce
dispositif renseigne le conducteur sur la distance entre l'arrière du véhicule et un
obstacle. Il facilite ainsi les manœuvres en marche arrière. Le dispositif est
intégré au pare-chocs arrière du véhicule. Il est automatiquement mis en
fonction à chaque marche arrière. Son principe de fonctionnement est le suivant:
Le télémètre possède un émetteur et un récepteur d'ultrasons, placés côte à côte.
L'émetteur génère une onde ultrasonique en arrière du véhicule. En présence
d'un obstacle, une partie de l'onde est réfléchie vers le récepteur. Le temps de
parcours aller et retour de l'onde est mesuré et permet de calculer la distance à
l'obstacle. Le conducteur du véhicule est renseigné sur cette distance par un
signal sonore. Le synoptique Figure 7 montre les diverses fonctions mises en
œuvre.
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(Figure 7)
VI.2.Indications générales :
Tous les composants sont considérés comme parfaits et ils sont alimentés sous la
tension
VDD = + 12 V par rapport à la masse ; les circuits intégrés logiques ont une
impédance d'entrée infinie et une impédance de sortie nulle. Leur tension de
sortie peut être égale à 0 V ou 12 V.
Les amplificateurs opérationnels ont une impédance d'entrée infinie et une
impédance de sortie nulle. Leurs tensions de saturation sont égales à 0 V ou 12
V.
Toutes les parties du sujet sont indépendantes à l'exception de la synthèse
VI.3.Compréhension générale du dispositif :
On se reportera au synoptique de la Figure 7 On s'intéresse dans cette partie au
retard entre le signal émis, sous la forme de la tension vem, et le signal reçu
(tension vrec). Ce retard est lié à la distance du véhicule à l'obstacle.
VI.4.Etude du fonctionnement pour une distance de un mètre :
Les chronogrammes des tensions vem et vrec sont donnés Figure 8 quand un
obstacle est à une distance d = 1 m du véhicule.
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(Figure 8)
-1-durée du retard : θ100 = 6 ms
vitesse des ultrasons : x = v*t 2d = v*θ100 v = 2d/θ100
v = 2/6*10-3 = 333 m/s
-2- étude du fonctionnement à distance variable :
valeur de k avec k = θ100/d = 6*10-3/1 = 6*10-3 s/m
-3- Pour une distance de 40 cm :
retard pour 40 cm : θ40 = k*d = 6*10-3.0,4 = 2,4 ms
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VII. télémètre laser et ultrason :
Le télémètre laser à été inventé par HILDRETH WALKER.
VII .1.fonction :
Le télémètre laser permet de pointer un objet et de regarder la distance sur
l’écran LCD,
La distance peut être exprimer en pieds ou en mètre.
VII.2.Equipement :
Il existe des lunettes spécialement conçues pour faire des mesures en extérieur et
par
Beau temps.
- Description :
1. Capteur à ultrasons
2. Laser
3. Afficheur
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4. Mode de mesure frontal (Fm)/base (Bm)
5. Conversion des unités en pieds (Ft)/mètres (M)
6. Touche READ
7. Mesure d’une surface
8. Mesure d’un volume
9. Sortie/effacement
10. Addition
11. Mémorisation des données
12. Affichage des données mémorisées
13. Touche marche/arrêt
14. Attache-ceinture
15. Couvercle du compartiment de le pile
Conclusion :
En fin nous avons besoin de mesurer une distance éloignée et seuls les
capteurs ultrasons le permettront. Donc on peut affirmer qu’ils ont
révolutionnés le monde de l’électronique et de robotique.
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