История: как звук научился мерить расстояние

Зачем пищать. Сзади машины водитель не видит почти ничего: бампер низкий, столбик или бордюр прячутся под задним стеклом. Парктроник меряет расстояние звуком, которого человек не слышит, и переводит его в то, что слышно и видно: писк, полоски, цифры.

Машина сдаёт задом к стене, вид сверху. В бампере четыре ультразвуковых датчика: каждый пищит и ловит эхо. Чем ближе стена или столбик, тем больше дуг горит и тем чаще пищит зуммер в салоне.

Как звук научился мерить расстояние: летучие мыши, сонар, ультразвук, микросхемы, автофокус, парктроник и дешёвый модуль.

1794 — летучие мыши. Ладзаро Спалланцани заметил: летучая мышь с завязанными глазами облетает натянутые нити, а с заткнутыми ушами — натыкается на них. Как она «видит» ушами, поняли только через полтора века: в 1938 году Дональд Гриффин записал её крики приборами — они выше 20 кГц, человек их не слышит. Позже Гриффин назвал это эхолокацией.

Летучая мышь кричит ультразвуком и слушает эхо: по времени эха она знает, как далеко мошка или ветка. Это и есть эхолокация — принцип парктроника.

1917 — сонар. В разгар подводной войны Поль Ланжевен сделал излучатель на кристалле кварца: подаёшь напряжение — кристалл звенит ультразвуком, звук приходит обратно — кристалл даёт напряжение. Время между писком и эхом — это расстояние до подводной лодки. Тот же принцип в каждом датчике парктроника.

Сонар Ланжевена, 1917: кварц звенит ультразвуком, эхо возвращается — по времени эха узнают расстояние. Парктроник делает то же в воздухе.

1978 — сонар в фотоаппарате. Polaroid выпустила камеру с ультразвуковым автофокусом: щелчок — и камера знает, как далеко человек, и сама наводит объектив. Её ультразвуковые датчики потом годами продавали отдельно — на них строили первых роботов, которые объезжали стены.

Парктроник. Ультразвуковые датчики ставят в бампер с конца 1980-х; в 1990-х это стало обычной опцией. Внутри — то же, что в нашем наборе: датчики пищат по очереди, счётчик меряет время эха, компаратор выбирает зону, зуммер пищит тем чаще, чем ближе.

Скорость звука. Звук идёт около 343 м/с при 20 °C и на каждый градус меняется примерно на 0,6 м/с. Зимой и летом одни и те же миллисекунды — разные сантиметры, поэтому хорошие парктроники меряют температуру и поправляются, а каждый прибор калибруют — урок 6.

Сегодня. Любитель за доллар покупает модуль HC-SR04: две «бочки» — динамик и микрофон, ноги TRIG и ECHO. Наш датчик в симуляторе устроен так же. А логика вокруг — на микросхемах CMOS 4000 1970-х, где видно каждый шаг.