1. GİRİŞ
1.1 Tarımda Mekatronik Tasarım Uygulamaları ve Kontrol Sistemleri
Tarımda kontrol sistemlerinin kullanılması 1900’lü yıllara kadar dayanmaktadır.
Yapılan uygulamalar içerisinde en çok öne çıkanı, 1920’li yıllarda Harry S. Ferguson’un geliştirdiği ve “Ferguson Sistemi” adıyla anılan, traktörlerin çeşitli derinliklerde toprak işleme yaparken, sürekli olarak gücünün sabit tutulmasına yönelik uygulamasıdır (Schueller 2006). Hızla gelişen teknoloji ve pazar koşulları daha ekonomik ve kaliteli ürünler isterken, kullanıcı beklentileri ise daha esnek ve çok işlevli ürünler yönünde olmaktadır. Bu nedenle alışılagelmiş tasarım ve imalat teknolojileri yetersiz kalmış, bu
ihtiyacı gidermek üzere yeni kavram ve yöntemler doğmuştur. Bunlardan birisi de mekatronik kavramıdır (Erden 2005). Mekatronik ilk olarak 1970’li yıllarda, robotik uygulamalarında görülmeye başlamıştır. 1980’li yıllarda, bilgi teknolojisinin ilerlemesi ile daha iyi bir verim için mikrodenetleyiciler mekanik sistemlerle birlikte kullanılmaya başlamıştır (Cetinkunt 2005).
Mekatronik teknoloji ile üretilen makinaların, algılama, sinyal işleme, karar verme, insanlara bilgi aktarımı gibi yeteneklerinin olması nedeniyle, günümüzde her alanda olduğu gibi, birçok tarım makinasında ve tarımsal faaliyette de kullanılmaktadır.
Biçerdöverlerde ürün kayıplarının azaltılması, tabla yükseklik ayarlarının yapılması, arıza takibi için kullanılmaktadır. Traktörlerde geliştirilen çeki kuvvetinin ayarlanması, patinaj algılanması, titreşim sönümlenmesi için kullanılmaktadır. Seralarda, havalandırma, sulama ve ısıtmada kullanılmaktadır. Hayvancılıkta hayvan sağlığı ve korunması, robot sağım ünitelerinin kullanımı, süt kalitesi, kızgınlık takibi ve tarımsal savaş alanında ilaçlama uygulamaları gibi daha birçok tarım makinasında mekatronik teknoloji uygulamaları görülmektedir.
Mekatronik uygulamaları sanayide ve üretim alanında kullanılması ilk yatırım maliyetleri bakımından bir dezavantaj oluştursa da, ileriki aşamalarda üretim aşamalarının hızlanması, esneklik, yüksek kalite, güvenilirlik, üretim maliyetlerinin düşmesi gibi pek çok kazanımları bulunmaktadır.
Mekatronik, çeşitli mühendislik dalları arasında ortak bir amacı gerçekleştirmek için sistematik bir birliktelik sağlayan mühendislik yaklaşımı olarak tanımlanmıştır (Erden 2005). Mekatronik tasarım içerisinde, bazı kavramların bir araya gelerek bir bütün oluşturduğu ve mekatronik tasarım ürünlerinin genellikle akıllı makina, alet ve cihazları, akıllı sistemleri ve akıllı süreçleri içerdiği aynı araştırıcı tarafından belirtilmiştir (Şekil 1.3).
Şekil 1.3 Mekatronik alanını oluşturan bazı dallar ve kullanım alanları (Histand and Alciatore 1998).
Mekatronik teknolojiye sahip bir makinanın yapısı incelendiğinde, makinanın çevreden gelen verileri algılayabildiği, sahip olduğu mekatronik teknoloji öğeleri ile, makinanın işlevi ve performansının değiştirilebildiği belirtilmiştir (Cetinkunt 2005). Araştırıcı ayrıca makinanın bu verilere göre değişik düzeylerde karar alabildiğini de vurgulamıştır (Şekil 1.4).
Şekil 1.4 Fiziksel zemin algılanmasının şematik görünümü (Cetinkunt 2005)
Cetinkunt (2005) güncel teknolojik koşullarda bir makinanın karar verme yeteneği kazanabilmesi için temel koşulun, yazılım tabanlı bir denetim ve kontrol sisteminin var olması gerektiğini belirtmiştir. Bu koşulun yazılım teknolojisinin mekatronik makinalarla bütünleşmesini sağlayan bir özellik olduğu vurgulanarak, mekatronik makinalarda yazılım teknolojisinin mikroişlemci teknolojisi ile birlikte mekatronik makinanın çekirdeğini oluşturduğu aynı yazar tarafından bildirilmiştir.
Birçok uygulamada algılayıcılardan gelen veriler denetim sistemi için doğru karar verecek kadar sağlıklı bilgiler içermez. Bu durumda ortaya çıkan belirsizliklerin giderilebilmesi için yapay zeka yaklaşımlarının uygulanması gerektiği Kuo (2005) tarafından belirtilmiştir. Kontrol sisteminin amacını, kontrol sisteminin elemanları aracılığıyla girişleri kullanarak, çıkışları önceden belirlenmiş bir şekilde kontrol etmek olarak belirtmiştir (Şekil 1.5). Bir kontrol sisteminin temel öğelerini;
1. Kontrolün amaçları, 2. Kontrol sisteminin öğeleri,
3. Sonuç yada çıkışlar olarak gruplandırmıştır.
Şekil 1.5 Bir kontrol sisteminin temel öğeleri (Kuo 2005)
Hassas bir kontrol için çeşitli kontrol yöntemleri geliştirilmiştir. Bunlardan bazıları aç-kapa (on-off) kontrol yöntemi, oransal kontrol(proportional)yöntemi, oransal-türevsel kontrol yöntemi (PD) ve oransal- integral- türevsel kontrol (PID) yöntemi olduğu Williams (2007) tarafından belirtilmiştir. Şekil 1.6’da aynı araştırıcı tarafından grafik üzerinde bir elektrikli fırında gerçekleştirilen on-off kontrol yöntemi açıklanmaya çalışılmıştır. Şekil üzerinde düz sürekli kalın çizgiyle istenilen sıcaklık değeri gösterilmiştir. İstenilen sıcaklık değeri 150 oC’ye ayarlanmıştır. Dalgalı çizgi ise kontrol sistemi çalışırken ölçülen gerçek sıcaklık değerlerini göstermektedir. Sistemde ısıtıcı devreye ilk girdiği anda gerçek sıcaklık değeri bir süre daha düşmeye devam etmiştir. Termostatın ısıtıcıyı devreye sokması anına kadar, gerçek sıcaklık değeri 143
oC’ye kadar gerilemiştir. Isıtıcı yaklaşık olarak 100 saniye kadar çalışmış (on) ve termostat ısıtıcıyı tekrar kapatmıştır (off). Ancak, gerçek sıcaklık değeri istenilen sıcaklık değeri olan 150 oC’yi aşmıştır ve 160 oC seviyesine kadar ulaştığı bildirilmiştir.
Şekil 1.6 Aç-kapa (on-off) kontrol (Williams 2007) 1.2 Mikrodenetleyiciler
Mikrodenetleyiciler komple bir bilgisayarın (merkezi işlem birimi , hafıza ve giriş - çıkışlar) tek bir entegre devre üzerinde üretilmiş hali olarak tanımlanabilir.
Mikrodenetleyiciler kısıtlıda olsa giriş – çıkış uçlarına sahip olmaları sayesinde, tek başlarına (stand alone) çalışabilirler. Ayrıca donanımı oluşturan diğer elektronik devrelerle irtibat kurarak, uygulamanın gerektirdiği işlemleri gerçekleştirebilirler. Şekil 1.7’de bazı mikrodenetleyiciler verilmiştir.
Şekil 1.7 Bazı mikrodenetleyicilerin görünümü
İstenilen kontrol programını yazabilmek için assembler, basic, C ve JAL gibi bir çok yazılım dilleri bulunmaktadır. Yazılan programların mikrodenetleciler veya mikroişlemcilere tanıtılabilmesi için, yazılan programın makine dili olan onaltılı koda (hex code) çevrilmesi gerekmektedir. Makina diline çevirebilmek için programların MPLAB, MicroCode Studio yada benzeri bir derleyici program kullanılarak onaltılı koda çevrilmesi işlemi gerçekleştirilmektedir (Şekil 1.8). Geliştirilen programlar onaltılı koda çevrildikten sonra, bir ara bağlantı elemanı ve programlayıcı ile bilgisayardan mikrodenetleyicilere yüklenmektedir (Altınbaşak 2004).
Şekil 1.8 MicroCode Studio programı ve onaltılı koda çevrilmiş program
1.3 Bilgisayar Destekli Tasarım, İmalat, Simülasyon ve Analiz
Robot gibi mekanik sistemlerin ve prototip makinaların davranışlarının incelenmesi ve simülasyonlarının yapılmasının günümüzde yaygın olarak kullanıldığı Tarabanov (2006) tarafından bildirilmiştir. Araştırıcı simülasyonun tasarım, tanımlama ve kontrol yöntemlerinin geliştirilmesinde ilk adım olduğunu belirtmiş ve simülasyonlar sayesinde araştırıcıların çalışmalarının kalitesinin ve verimliliğinin arttığını belirtmiştir. Ayrıca bilgisayar ortamında, sistemlerin görsel olarak, tasarlanıp modellenebildiği vurgulanarak, simülasyonlar yardımıyla sistemi oluşturan parçaların ayrı ayrı yada birlikte gerçeğe çok yakın davranışlarının ve hareketlerinin tespit edilebildiği de aynı araştırıcı tarafından belirtilmiştir.
Karagülle vd. (2001) ihtiyaçtan tüketime bir ürünün ortaya çıkarılmasındaki her aşamada bilgisayar destekli tasarım programlarından faydalanılabildiğini belirtmişlerdir.
Ayrıca ürünlerin modellenmelerinde, modelden imalat için kalıp ekipmanlarının tasarlanmasında, CNC (computer numerical control) imalatı için gerekli çıktıların elde edilmesinde, ürün mukavemet testlerinin yapılmasında ve görsel sunumların oluşturulmasında bilgisayar destekli tasarım ve yazılımların kullanıldığını belirtmişlerdir. Araştırıcılar bilgisayar destekli tasarım (Computer Aided Design-CAD) konuları içerisinde katı modelleme, teknik resim, mekanizma tasarımı, kuvvet analizi, parçaların dinamik yükler altında mukavemeti ve ömrünün yer aldığına da işaret etmişlerdir.
Bu çalışmada, salınımlı çalışan tarım makinalarının aktif dengelenmesine yönelik bir sistem geliştirilmiştir. Sistemin denemeleri için sağ ve solda birer adet buma sahip prototip bir makina tasarlanmıştır. Tasarlanan makinanın bilgisayar ortamında mekanik, hidrolik ve elektronik simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Makinanın laboratuar ve tarla koşullarında denemeleri gerçekleştirilerek, bumlarının yer düzleminden olan yüksekliklerinin kontrol edilmesine çalışılmıştır.
2. KAYNAK ÖZETLERİ
2.1 Tarla Pülverizatör Bumlarının Dengelenmesine Yönelik Yapılan Çalışmalar
Bumlar tarla pülverizatörlerinin en önemli parçalarından birisidir ve sıvı ilacın hedef yüzeylere püskürtülmesini sağlayan memelerin takıldığı yatay borulardan oluşmaktadır.
Tarla pülverizatörlerinde memeler, bumlar üzerine hüzme açılarına bağlı olarak belirli aralıklarla dizilmektedir. Bumlar genellikle iki ya da üç parçalı olarak katlanabilir biçimde yapılmakta ve pülverizatör çatısına bir taşıma ünitesiyle bağlanmaktadır.
Genellikle bumun orta kısmı sabitlenmiş, hem dikey hem de yatay olarak desteklenmiştir. Tarla yüzeyinin engebeli olması durumunda, toprak teması yoluyla memelerin zarar görmesini önlemek için bum uçlarına hafif taşıma tekerlekleri veya bum uçlarının toprağa çarpmasını önleyen kızaklar takılmaktadır (Culpin 1986).
İlaç dağılım düzgünlüğünü iyileştirmenin bir yolu, hedef yüzeyler üzerinde bum yüksekliğini artırmaktır. Ancak, bum yüksekliği arttıkça ilaç sürüklenmesi de artmaktadır. Bu nedenle geniş bum ve yüksek ilerleme hızları için bum askı sistemlerine ihtiyaç duyulmuştur. Askı sistemi sadece bum stabilitesini iyileştirmekle kalmaz, aynı zamanda bum üzerindeki periyodik yüklenmeleri de azaltmaktadır. Bunun gibi stabil püskürtme sistemleri, memelerin ilaçlama yüzeyine olan mesafesini sürekli sabit tutarak, hem ilaç dağılım düzgünlüğünü iyileştirmekte hem de bum ömrü açısından bir avantaj sağlamaktadır (Legg and Miller 1989).
Çelen (1995) değişik tip bum askı sistemleri ile tarla pürüzlülüğü ve ilerleme hızının, bum salınımlarına etkisinin önemli olduğunu açıklamıştır. Yazar artan bum salınımlarıyla birlikte memelerin hedef yüzeyden olan uzaklıklarının değiştiğini ve alışılagelmiş askı sistemlerinin püskürtme dağılımının bozulmasına neden olduğunu ve sonuç olarak bum salınımlarını önleyecek bağlantı sistemlerinin kullanılmasının önemine değinmiştir. Bum stabilitesini sağlamak amacıyla yapılan çalışmalara ilişkin olarak yazar bumların uç kısımlarının az sarsılmaları için, uç kısımların ağırlığını dengeleyebilecek yaylarla, yan kol bağlantılarının yapıldığını belirtmiştir. Benzer
şekilde araştırmacı bumların ani şokları ve bumların yukarı-aşağı hareketinden doğan titreşimlerinin önlenebildiğini belirtmiştir. Çeşitli tip pasif bum dengeleme sistemlerine ait şematik görünümler Şekil 2.1’de verilmiştir.
Şekil 2. 1 Çeşitli tip pasif dengeleme sistemleri (Nation 1978)
Yabancı ot savaşında kullanılan tarla püskürtme sistemleri üzerine yaptığı çalışmada Koçer (1985), püskürtme sistemlerinin ilaç dağılım düzgünlüğü ve yüzey kaplama değerlerine olan etkilerini incelemiştir. Araştırıcı, yüzey kaplama değerleri ile püskürtme sistemine gelen yatay ve düşey titreşimleri, düz yol ve engebeli yollar üzerinde ölçmüştür. İlerleme hızı olarak 4 km/h, 6 km/h ve 8 km/h’lik hızları kullanmıştır. Araştırıcı denemelerinde ivmeölçer kullanmış ve bunu püskürtme bumu üzerinde farklı noktalara yerleştirmiştir. Araştırma sonucunda, tarla pülverizatörlerinde iş genişliği büyük olan püskürtme sisteminin salınımlı bağlanmasıyla yüzey kaplama değerinin iyileştiğini vurgulamıştır.
Çoklu sensörler aracılığıyla bum bölümlerinin yükseklik kontrolünü sağlayan bir elektronik sistem Sartori ve arkadaşları (2002) tarafından geliştirilmiş ve bir pülverizatör üzerine yerleştirilmiştir. Araştırmacılar pamuk tarlasında yaptıkları denemelerde, operatör kontrolü ile elektronik kontrol sonuçlarını karşılaştırmışlardır.
Sonuçta bumun yükseklik kontrolü elektronik kontrol aracılığı ile gerçekleştirilmiş ve böylece operatörün iş yükünün hafifletildiği belirtilmiştir. Ayrıca elektronik bum yükseklik kontrol mekanizması sayesinde, yüksek hızlarda ilaçlamanın da mümkün olduğu aynı araştırıcılar tarafından belirtilmiştir (Şekil 2.2).
Şekil 2. 2 Elektronik bum yükseklik kontrol mekanizması şematik görünümü. (Sartori et al. 2002)
1. Ultrasonik yükseklik sensörü, 2. Doğrusal yer değişim algılayıcı, 3. Hidrolik silindir, 4. Teleskobik şok sönümleyici, 5. Esneme yayı, 6.Püskürtme bumu
Jeon et al. (2004a) 27 m bum uzunluğuna sahip bir pülverizatörü 12.8 km/h hızla
yüksekliğinin ilaç kalıntısı üzerindeki etkilerini araştırmışlardır. Yüzey koşulları düz, 20 cm yüksekliğinde kasislerin ve 20 cm derinliğindeki çukurların bir arada olduğu koşullarda test etmişlerdir. Lazer yansıma (laser diffraction) tekniğini kullanarak hacimsel damla çaplarını 255 – 588 µm aralığında ölçmüşlerdir. Denemeler pülverizatör deposu ya yarım dolu ya da depoda çok az sıvı varken gerçekleştirilmiştir.
Çalışma sonucunda bum stabilitesinin pülverizasyon tekdüzeliği üzerinde çok önemli bir parametre olduğu belirtilmiştir
.
Tarla koşullarında bum hareketlerinin otomatik olarak algılanabilmesi için bir ölçüm sistemi pülverizatör üzerine Jeon et al. (2004b) tarafından yerleştirilmiştir. Bu sistemin bum üzerindeki titreşimleri, bum ivmelenme tepkisini, bum uçlarının yüksekliklerini ve pülverizatörün ölçüm alanı üzerindeki pozisyonunu ölçebildiği belirtilmiştir. Titreşim tepkileri, tekerler, şasi süspansiyonu, bum süspansiyonu ve bum üzerindeki eğilmelerini içermektedir. On iki adet ivmelendiricinin (accelerator) x, y ve z olmak üzere 3 yönde de ölçüm yapabilmesi için arka şasi merkezine, bum merkezine ve bumun her iki ucuna yerleştirildiği belirtilmektedir. Pülverizatörün denenmesi sırasında, 20 cm derinliğinde çukurlar ve 20 cm yüksekliğinde engebeler üzerinden geçirilerek veri algılanmasının otomatik olarak yapıldığı ve bir bilgisayara kayıt edildiği belirtilmektedir. Belirtilen bu ölçüm sisteminin gelecekte tasarlanacak pülverizatörler, pülverizatör bumu, pülverizatör süspansiyonlarının tasarımı, pülverizatör çalışma hızları, bum uzunluğu ve aktif bum süspansiyonlarının tasarımında yararlı olacağı aynı araştırıcılar tarafından belirtilmektedir.
Bum hareketlerinin ölçülmesi için doğrusal ve açısal potansiyometrelerin laboratuar ortamında değerlendirilebildiği bir çalışma Pochi ve Vannucci (2001) tarafından yapılmıştır. Denemeler standart laboratuar ortamında ve tarla koşullarında yapılmıştır.
Araştırıcıların bu çalışmalarındaki amacının basit, ucuz ve güvenilir bir sistem geliştirerek bum hareketlerinin ölçülmesi olarak belirtilmiştir. Potansiyometrik ölçümlerin güvenilirliği çok hassas ve daha gelişmiş olan kızılötesi (infrared) ve ultrasonik sistemler ile elde edilen ölçümlerle test edilmiştir. Buradan potansiyometrik ölçümlerle bum hareketlerinin tarla koşullarında ölçülmesinin mümkün olduğu
sonucuna vardıklarını belirtmişlerdir.
Stabil çalışan bir püskürtücü bumu daha homojen bir ilaç dağılımı sağlar ve ilaç miktarını azaltır. Stabil bir bum hareketi sağlayabilmek için yatay bum hareketlerini sönümleyici aktif bir süspansiyon sistemi Anthonis ve arkadasları (2000) tarafından yapılan bir çalışmayla açıklanmaya çalışılmıştır. Yatay bum hareketleri iki ivmeölçer ile ölçülmüş ve bir kontrol elemanına gönderilmiştir. Bunun sonucunda süspansiyon sistemine tutturulmuş elektrohidrolik hareketlendirici (actuator) aktif hale getirilmiştir.
İki servo valfin yol açtığı hidrolik silindirler üzerindeki kayma, her bir hareketlendirici üzerinde oransal pozisyon geri besleme döngüsü kullanılarak elimine edilmiştir.
Nümerik problemleri göz ardı etmek için geliştirilen kontrol elemanı daha küçük alt kontrol sistemlerine ayrılmıştır. İvmelendiricinin ayarlanan voltajı üzerindeki küçük değişimler nedeniyle hareketlendiricilerde meydana gelen kayma bir yüksek geçirgen filtreyle önlenmiştir. Kontrol elemanı ve aktif süspansiyon sistemi bir titreştirme tablası üzerinde test edilmiş sonuçta güvenilir ve stabil bir sonuç verdiği aynı araştırıcılar tarafından belirtilmiştir (Şekil 2.3)
Şekil 2. 3 Aktif süspansiyon sisteminin şematik görünümü (Anthonis et al. 2000)
Yamaç arazilerde ilaçlama sırasında, tarla pülverizatörlerinin eğimden kaynaklanan olumsuzluklardan etkilenmemesi için, arazi eğimini takip edebilen bir matematiksel model Deprez ve arkadaşları (2003) tarafından geliştirilmiştir. Dört değişik süspansiyon sistemi üzerinde yapılan denemelerde modelin yapısı incelenmiştir. Analitik olarak geliştirilen modeller aynı araştırıcılar tarafından doğrulanmıştır. Yavaş ve aktif bir
süspansiyon için istenmeyen bum salınımlarına yol açan arazi eğimini takip etmek, toprak yüzey dalgalanmalarını filtrelemek için aktif ve yavaş bir süspansiyon sağlayan bir kontrol mekanizması tasarlanmıştır. Geliştirilen kontrol elemanı, gerçek makine üzerinde ve laboratuar ortamında test edilmiştir. Düşük güçlü ivmelendirici kullanılmasına rağmen iyi bir performans elde edildiği aynı araştırıcılar tarafından belirtilmiştir ( Şekil 2.4).
Şekil 2.4 Yavaş aktif sarkaçlı süspansiyon (Deprez et al. 2003)
2.2 Biçerdöver Tablasının Dengelenmesine Yönelik Yapılan Çalışmalar
Günümüzde biçerdöver tablalarının kontrolü operatör tarafından elle yapılmaktadır.
Ancak bu yöntemle hasat kayıpları belli bir düzeye indirilmesine karşın, istenilen seviyede değildir. Ayrıca bu durum biçerdöver operatörünün fiziksel yorgunluğuna yol açmakta ve bazı durumlarda da alet ve ekipmanın zarar görmesini önleyememektedir.
Elle yapılan biçerdöver tabla kontrol yönteminin dezavantajları nedeniyle bu yönteme alternatif olabilecek bir metot Lopez ve arkadaşları (2002) tarafından geliştirilmeye çalışılmıştır. Araştırıcılar geliştirdikleri bu yöntemi küçük ölçekli bir biçerdöver simulatörü üzerinde denemişlerdir. Yöntemin çalışması; biçerdöver tablasının kesme yüksekliğinin kontrolü, toprak profilini izleyici sensörden gelen hata sinyaline bağlı olarak, hidrolik bir düzen yardımıyla biçerdöver tablası aşağı yada yukarı hareket ettirilerek kontrol edilmesi şeklindedir. Bu hareketin sağlanabilmesi için biçerdöver tablası altında yer alan toprak profili izleyicisinden alınan sinyaller bir açısal dönüştürücü tarafından elektriksel sinyallere dönüştürülerek kontrol algoritmasının bulunduğu taşınabilir bir bilgisayara aktarılmıştır. Aktarılan bu sinyaller
değerlendirilerek basınç kontrol valflerine gerekli kontrol sinyalleri gönderilmiştir.
Araştırıcılar yaptıkları çalışmanın sonucunda, geliştirilen kontrol sisteminin biçerdöver tablasının kesme yüksekliğini bozucu etkenlere karşı (titreşim, engebeli toprak yüzeyi vb.) önemli ölçüde başarılı olduğu belirtilmişlerdir. Şekil 2.5’de NORAC firması tarafından geliştirilen biçerdöver tabla yükseklik kontrolünün şematik görünümü yer almaktadır.
Şekil 2.5 Biçerdöver tabla yükseklik kontrolü şematik görünümü (www.norac.ca 2007)
2.3 Ultrasonik Mesafe Ölçüm Parametreleri
Tarla pülverizatörleri ve biçerdöver gibi makinaların tarlada çalışması sırasında tarla yüzeyine paralelliklerinin sağlanabilmesi için, tarla pülverizatör bumunun yada biçerdöver tablasının yer düzlemine olan mesafesinin ölçülmesi gereklidir. Mesafe ölçümü için çok çeşitli algılayıcılar bulunmaktadır. Bu algılayıcılardan birisi de ultrasonik mesafe ölçüm sensörleridir.
Gürdal (2000) kitabında belli frekanslar altında bir ortamın (katılar, sıvılar ve gazlar) alternatif sıkışma ve genleşmesini ses dalgaları olarak adlandırılmıştır. Ortamın içeriği
dalganın yayılma yönünde osilasyon yapmaktadır ve bundan dolayı bu dalgaları boyuna mekanik dalgalar olarak adlandırmıştır. Raju (2001) ses hızının bilinmesi durumunda bir cismin uzaklığının, ses kaynağından gönderilecek olan sesin, cisme çarpıp alıcıya geri dönme süresinden hesaplanabileceğini belirtmiştir. Duyulan ses yaklaşık 20-20000 Hz arasındaki insan kulağının işitme aralığıyla ilişkilidir. 20 Hz altındaki boyuna mekanik dalgalar ses altı (infrasound) ve 20000 Hz’ nin üzerindeki dalgalar ise ses ötesi (ultrasound) olarak adlandırılmıştır. Çizelge 2.1’de bazı zeminlerde boyuna dalgaların yayılma hızları verilmektedir. Hız sıcaklığa bağlı olduğundan, pratik amaçlar için sıcaklığın değeri daima dikkate alınmalıdır.
Çizelge 2. 1 Ses dalgalarının farklı ortamlar içindeki hızları (Gürdal 2000)
Zemin Ses Hızı (m/s) takımında doğru üzerindeki mesafesi dalga boyu olarak tanımlanmıştır (Şekil 2.6).
Şekil 2. 6 Genlik zaman ekseninde dalga boyu (Atıcı, 1994)
Green (2004) Ultrasonik mesafe ölçüm yönteminin fizik kurallarına dayalı olduğunu belirtmiş ve formül 2.1 ile ultrasonik mesafe ölçümünün yapılabileceğini belirtmiştir.
(2.1)
V:Hız (m/s) T: Zaman (s)’dır.
Blitz (1971) yaptığı çalışmada ses dalgası karakteristiklerini incelemiştir. Yaptığı araştırma sonucunda, ses dalgalarının katı, sıvı veya gazlar içindeki yayılımlarının farklı özellikler gösterdiğini belirtmiştir. Ayrıca yazar birbirinden düz bir sınır yüzeyiyle ayrılmış iki farklı ortamdaki ses dalgalarının, normal olarak iletiminin ve yansımasının da farklılıklar gösterdiğini belirtmiştir (Şekil 2.7).
Şekil 2. 7 Ses dalgalarının düz bir sınır yüzeyiyle ayrılmış farklı iki ortamdaki geçişi ve yansıması (Blitz 1971)
İki zemin arasında ses enerjisinin geçirilmesine ve yansıtılmasına ilişkin oransal miktarları ifade etmek üzere, geçirme ve yansıtma katsayıları da tanımlanmıştır. Bu katsayılar;
Geçirme katsayısı = 2
R: Ortamları oluşturan materyallere ait karakteristik empedans ( kg/m2 s).
Karakteristik empedans ortamın hacim ağırlığına ve ses hızına bağlıdır ve aşağıdaki şekilde tanımlanabilmektedir:
c
R=ρ⋅ 2.4
ρ:Hacim ağırlığı (kg/m3).
c: Sesin havadaki yayılma hızı (m/s) dır.
Çeşitli katı, sıvı ve gazlar için belirlenebilen karakteristik empedans değerleri formül 2.4’deki gibi kullanılarak; ortamı oluşturan farklı madde çiftleri için geçirme ve yansıtma katsayılarının hesaplanması mümkündür. Farklı iki ortamın karakteristik empedansları birbirine yakın olduğunda, yansıtma katsayısı sıfıra yaklaşırken, tersi durumda ortamlardan birisi gaz, diğeri de katı veya sıvı olduğunda, karakteristik empedans değerleri birbirine yakın olmadığından; geçirme ve yansıtma katsayılarının çok farklı değerler alabildiği Vatandaş ve Gürhan (1996) tarafından belirtilmiştir. Ayrıca söz konusu durumun, hava ve topraktan oluşmuş ses yayılım ortamları için de söz konusu olabildiği, çünkü havanın karakteristik empedansının, toprağın içeriğinde yer alabilen elementlere göre çok daha düşük ve her iki ortamın sınır yüzeyinin düzgün olmayan bir yapı gösterdiği aynı araştırıcılar tarafından belirtilmiştir.
Atıcı (1994)’ya göre ultrasonik ses alanı, kaba görünümüyle bir arabanın far lambalarının vermiş olduğu ışık demetine benzemektedir. Yalnız, piezoelektrik özelliğe
Atıcı (1994)’ya göre ultrasonik ses alanı, kaba görünümüyle bir arabanın far lambalarının vermiş olduğu ışık demetine benzemektedir. Yalnız, piezoelektrik özelliğe