Anteparo Sônico

## ANTEPARO SÔNICO

## Daiane Katherine de Lourdes Souza 1 , Bruno Gonçalves 1

1 Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Minas Gerais - Campus Juiz de Fora, daianekatherine3@gmail.com

## Resumo

Este estudo investiga a precisão da medição de distâncias utilizando o sensor ultrassônico HC-SR04, que opera através da emissão de ondas sonoras para determinar a distância entre o sensor e um objeto. Capaz de detectar objetos situados entre 4 cm e 200 cm, o HC-SR04 é amplamente utilizado em diversas aplicações, como robótica e automação. No entanto, a precisão das medições pode ser comprometida quando há barreiras entre o emissor e o receptor. Para explorar essa questão, o experimento foi realizado separando o emissor e o receptor do sensor, posicionando-os frente a frente como um sensor de barreira. Esse arranjo permitiu analisar como diferentes materiais, densidades e espessuras de barreiras afetam a trajetória e o tempo de retorno do sinal ultrassônico, e, consequentemente, a precisão das medidas de distância. Observou-se que a presença de barreiras pode introduzir erros significativos nas medições devido a fenômenos como reflexão, atenuação e difração. Além de aprimorar a compreensão técnica sobre o funcionamento de sensores ultrassônicos, o estudo oferece uma oportunidade didática para explorar conceitos físicos, como difração e comprimento de onda, em um contexto prático. Este trabalho, portanto, não apenas avança o conhecimento sobre a aplicação do sensor HC-SR04 em experimentos de física, mas também oferece uma base para o desenvolvimento de métodos educativos relacionados ao estudo de ondas. Isso contribui para uma compreensão mais aprofundada dos princípios físicos subjacentes ao funcionamento dos sensores ultrassônicos, facilitando a educação e a aplicação prática desses conceitos em diferentes contextos científicos e tecnológicos.

Palavras-chave : Sensor Ultrassônico, Medição de Distâncias, Difração.

## Introdução

A medição precisa de distâncias é um conceito fundamental na física e desempenha um papel crucial em diversas aplicações tecnológicas, desde automação industrial e robótica até sistemas de segurança e monitoramento ambiental. Sensores de distância ultrassônicos, como o HC-SR04, são amplamente utilizados por sua confiabilidade, custo acessível e facilidade de implementação. O funcionamento desses sensores se baseia no princípio físico da ecolocalização, onde um pulso ultrassônico é emitido, refletido em um objeto, e o tempo de retorno do eco é medido para calcular a distância, utilizando a velocidade do som no ar, aproximadamente 340 m/s. Este princípio não apenas ilustra a propagação das ondas sonoras, mas também permite explorar fenômenos físicos como reflexão, absorção e difração.

- O sensor ultrassônico HC-SR04 é capaz de detectar distâncias que variam entre 4 cm e 200 cm, o que o torna versátil para aplicações como detecção de obstáculos, medição de nível de líquidos e sistemas de estacionamento automatizados. No entanto, a precisão das medições realizadas por sensores ultrassônicos pode ser significativamente influenciada por fatores físicos como temperatura, umidade do ar, e a presença de barreiras que interferem na trajetória

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

20 a 24 de janeiro de 2025 - Niterói - RJ

do sinal. Essas barreiras, dependendo de suas propriedades, podem causar fenômenos como reflexão adicional, atenuação do sinal ou difração, afetando a confiabilidade dos dados coletados.

Este estudo explora uma configuração alternativa do sensor HC-SR04, na qual o emissor e o receptor são separados e posicionados frente a frente, criando um sistema de barreira. Nessa configuração, o sensor é projetado para detectar a interrupção do feixe ultrassônico quando um objeto interfere na linha de visão entre o emissor e o receptor, ativando a saída de chaveamento do sensor. Essa abordagem é particularmente relevante para aplicações de segurança e controle de acesso, onde é essencial detectar intrusões com precisão. O estudo se aprofunda na análise de como diferentes tipos de barreiras - caracterizadas por variações de densidade, espessura e textura - impactam a precisão das medições de distância, examinando como essas variáveis influenciam a propagação das ondas ultrassônicas.

Ao relacionar os resultados experimentais com conceitos fundamentais da física, como difração, reflexão e o comprimento de onda, o estudo oferece uma perspectiva educativa que conecta teoria e prática. A difração, por exemplo, ocorre quando uma onda encontra um obstáculo ou uma abertura que é comparável ao seu comprimento de onda, causando a curvatura da onda ao redor da barreira. Este fenômeno pode ser demonstrado de maneira prática ao observar que barreiras com espessura inferior ao comprimento de onda da onda ultrassônica (0,85 cm) resultam em medições inflacionadas devido à difração. Por outro lado, barreiras mais espessas, que limitam a passagem das ondas, podem criar padrões complexos de absorção e reflexão, dificultando a transmissão precisa do sinal.

As Figuras 1 e 2 ilustram a configuração do sensor ultrassônico HC-SR04 e o setup experimental utilizado neste estudo.

Figura 01: Anteparo Sônico

<!-- image -->

Figura 02: Arduino Uno

<!-- image -->

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

Legenda:

- (1) Sensor ultrassônico HC-SR04
- (2) Fita Métrica
- (3) Emissor do Sensor Ultrassônico
- (4) Receptor do Sensor Ultrassônico
- (5) Fio de Cobre
- (6) Arduino Uno

Este experimento, ao integrar princípios de física e aplicações tecnológicas, serve como uma ferramenta educativa eficaz. Ele oferece uma oportunidade de aprendizagem prática sobre a natureza ondulatória do som, fenômenos de ondas, e suas implicações no desenvolvimento de tecnologias modernas. Ao conectar a teoria com experimentos práticos, este estudo incentiva uma compreensão mais profunda dos desafios e das oportunidades envolvidos na medição de distâncias e no uso de sensores ultrassônicos em aplicações reais.

## Material Utilizado

- ● Arduino UNO
- ● Sensor ultrassônico HC-SR04
- ● 4 cabos jumper (macho-fêmea)
- ● Fita métrica
- ● Corrediça telescópica zincada de 70 cm
- ● Fita dupla face
- ● Fita isolante
- ● Fonte de alimentação para o Arduino
- ● Computador
- ● 2 metros de fio de cobre encapado de 2 mm
- ● Pedaços de papelão

## Metodologia

A metodologia adotada neste trabalho é a POE (Previsão-Observação-Explicação), que se distancia do enfoque tradicional centrado no docente, promovendo um maior envolvimento dos alunos na construção de seu próprio conhecimento. Esta abordagem é fundamentada no princípio do conflito cognitivo, no qual os alunos são incentivados a articular e confrontar suas ideias pré-existentes ao interagirem com experimentos práticos.

- O método POE foi proposto por Nedelsky (1961) e posteriormente desenvolvido por White e Gunstone (1992), e é estruturado em três etapas distintas. A primeira etapa, denominada Previsão, envolve a apresentação de um problema inicial pelo professor, frequentemente por meio de um experimento ou atividade introdutória. Nesse estágio, os alunos são solicitados a formular hipóteses sobre o que esperam observar durante a realização do experimento, antes de qualquer interação prática com o mesmo .

Na segunda etapa, Observação, o experimento é conduzido, seja pelo próprio aluno, seja pelo professor, para que o fenômeno físico seja observado em ação. Os alunos têm a oportunidade de verificar a validade das hipóteses

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

formuladas anteriormente ou experimentar um conflito cognitivo, no qual suas expectativas iniciais podem ser desafiadas pelos resultados obtidos.

Finalmente, na etapa de Explicação, os alunos devem interpretar e explicar os fenômenos observados, baseando-se nas hipóteses formuladas anteriormente. Neste momento, o papel do professor é de mediador, auxiliando os alunos na construção de respostas e esclarecimentos, sem impor uma resposta correta ou incorreta, mas orientando o processo de reflexão e análise.

A metodologia POE é importante no processo de aprendizagem por sua capacidade de abordar a contra-intuitividade e o conflito cognitivo. Ela permite que os alunos desenvolvam conclusões próprias a partir da experimentação, enfatizando o valor do processo de aprendizagem e das dúvidas como parte essencial da construção do conhecimento. Em vez de fornecer respostas prontas, o professor atua como facilitador, promovendo um ambiente onde o pensamento crítico e a exploração são incentivados.

Para a implementação prática desta metodologia, foi elaborada cada etapa representando um passo do método POE. Veja os passos abaixo:

## 1º Predizer:

Nessa etapa, o professor deve iniciar explicando o funcionamento básico do sensor ultrassônico, destacando que ele utiliza ondas mecânicas, especificamente ondas sonoras em frequências ultrassônicas, que se propagam em um meio material para medir distâncias entre um emissor e um receptor. Ele deve enfatizar como o sensor é normalmente usado para calcular a distância até um objeto com base no tempo que leva para uma onda emitida retornar ao receptor após refletir na superfície desse objeto.

Após essa explicação inicial, o professor deve introduzir um elemento de curiosidade que instigue o pensamento crítico dos alunos. Ele pode perguntar: "O que acontecerá se colocarmos uma barreira de papelão entre o emissor e o receptor?" Portanto, os alunos podem apresentar respostas variadas a essa questão, alguns podem sugerir que a presença de uma barreira de papelão reduziria a reflexão das ondas ultrassônicas, já que o papelão poderia absorver e dispersar parte da energia das ondas, resultando em um sinal de retorno mais fraco detectado pelo receptor. Outros podem considerar que a posição e orientação da barreira influenciariam a trajetória da reflexão. Além disso, alguns alunos podem levantar a hipótese de que a presença de múltiplas reflexões, ou ecos, poderia confundir o sensor, gerando leituras imprecisas. Se o papelão for muito fino, há quem possa sugerir que parte das ondas poderia atravessar a barreira, resultando em medições inconsistentes. Outros ainda poderiam discutir a possibilidade de difração das ondas ultrassônicas ao passar pelas bordas da barreira, especialmente se estas forem afiadas ou tiverem um formato que favoreça esse fenômeno, criando padrões complexos de ondas que poderiam afetar a precisão da leitura. Essas hipóteses incentivam os alunos a pensar criticamente sobre o comportamento das ondas sonoras e a explorar os fenômenos físicos relacionados.

Para enriquecer o cenário, o professor pode especificar que o papelão é colocado de diferentes maneiras, com diferentes dimensões conforme ilustrado na figura 3 e distâncias, para que os alunos pensem nas variações possíveis. A questão inicial deve ser aberta e provocativa para incentivar a formulação de várias

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

hipóteses, levando os alunos a refletirem sobre como as ondas ultrassônicas podem se comportar ao interagir com diferentes tipos de obstáculos.

Figura 03: Anteparo Sônico

<!-- image -->

## 2º Observar:

Nesta etapa, o professor conduzirá o experimento diante dos alunos. Pedaços de papelão, variando em medidas e espessuras, serão colocados entre os dois sensores ultrassônicos, que estarão posicionados a 20 cm um do outro. Durante o experimento, os sensores emitem ondas ultrassônicas e os alunos deverão observar as variações nas leituras de distância detectadas pelos sensores e registrar essas informações. Em seguida, será solicitado que eles preencham uma tabela com os dados obtidos, anotando as distâncias medidas para cada configuração de papelão. O professor também incentivará os alunos a discutir e analisar como as diferentes características dos pedaços de papelão influenciam as medições dos sensores, promovendo uma reflexão sobre o impacto de variáveis físicas no comportamento das ondas ultrassônicas.

## 3º Explicação:

O professor pode perguntar se os alunos mudaram de ideia sobre a resposta dada inicialmente. Esse momento é importante para que gere conflito cognitivo entre a resposta dada inicialmente, a resposta dos colegas e a observação do experimento. Então, pode-se fazer a explicação dos conceitos físicos envolvidos. Deve-se salientar que para os 2 primeiros objetos, a distância marcada pelo sensor era maior do que a distância da régua, devido ao fenômeno da difração. Salientando que tal fenômeno consiste na passagem de uma onda pela borda de uma barreira ou através de uma abertura que tenha dimensões equivalentes ao seu comprimento de onda. No entanto, quando o objeto 3 (que possui 2,1 cm de espessura) é colocado entre os sensores, a medida da distância detectada pelo sensor será inconsistente, uma vez que a espessura do papelão é maior do que o comprimento de onda emitida pelo sensor ultrassônico.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

## Resultado

Durante a condução do experimento, observou-se que a espessura dos anteparos tem um impacto direto e significativo na precisão das medições de distância realizadas pelo sensor ultrassônico. A análise dos resultados revelou dois comportamentos distintos com base na espessura dos anteparos em relação ao comprimento de onda da onda ultrassônica utilizada. Este experimento foi realizado em uma turma do Mestrado Nacional Profissional em Ensino de Física Polo 24 no Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia de Minas Gerais - Campus Juiz de Fora no segundo semestre de 2023 , composta por professores doutores, graduandos e graduados. Durante a execução do experimento, surgiu uma divergência considerável nas respostas dos participantes sobre o fenômeno de difração ultrassônica e seu impacto nas medições de distância. Muitos participantes demonstraram resistência à ideia de que o tamanho do objeto poderia influenciar o efeito observado, gerando uma discussão intensa sobre a compreensão do processo subjacente. Além disso, houve dúvidas se a onda ultrassônica poderia estar se propagando dentro do papelão, especialmente considerando a possibilidade de o material não apresentar uma espessura uniforme, o que poderia alterar os resultados das medições.

Para aprofundar a análise e compreender melhor os fenômenos observados, foi necessário calcular o comprimento de onda da onda ultrassônica, considerando a velocidade do som no ar como 340 m/s e a frequência do sensor ultrassônico de 40.000 Hz. Utilizando a relação entre a velocidade de uma onda, seu comprimento de onda e sua frequência, foi possível determinar que o comprimento de onda da onda ultrassônica é de 0,0085 metro

Assim, o comprimento de onda da onda ultrassônica é de 0,85 cm. Embora haja indícios de que a difração ultrassônica possa ocorrer quando a espessura do anteparo é menor do que esse comprimento de onda, ainda não podemos afirmar com certeza que esse é o fenômeno em questão. A hipótese é que a onda ultrassônica, ao atravessar um anteparo mais fino, poderia sofrer difração, resultando em uma medição de distância superior à distância real, devido à curvatura da onda ao redor da borda do anteparo. Essa onda difratada percorre uma trajetória mais longa antes de ser detectada pelo sensor, levando a uma leitura inflacionada da distância.

Por outro lado, quando a espessura do anteparo excede o comprimento de onda da onda ultrassônica, o comportamento da onda se torna mais imprevisível. Há a possibilidade de que a onda não consiga atravessar o anteparo de forma eficaz, podendo ser refletida ou absorvida de maneira inadequada, o que resultaria em medições inconsistentes. Essa incapacidade de transmitir a onda para o receptor comprometeria a precisão da medição, gerando dados que não correspondem à distância real.

Essas observações destacam a necessidade de estudos adicionais para confirmar os fenômenos observados e entender melhor como a espessura dos anteparos impacta as medições de distância realizadas por sensores ultrassônicos. A escolha adequada da espessura dos anteparos é essencial para garantir a precisão nas medições, especialmente em contextos onde a exatidão é crucial.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

## Conclusão

Os resultados experimentais sugerem que a espessura dos anteparos pode ter um impacto significativo na precisão das medições realizadas por sensores ultrassônicos. Quando a espessura do anteparo é inferior ao comprimento de onda da onda ultrassônica (0,85 cm), as medições tendem a ser inflacionadas, possivelmente devido à difração. A hipótese é que esse fenômeno ocorre quando a onda ultrassônica se curva ao redor das bordas do anteparo, fazendo com que a distância registrada pelo sensor seja maior do que a distância real. No entanto, não há certeza completa sobre a ocorrência de difração, e mais estudos são necessários para confirmar essa interpretação.

Por outro lado, quando a espessura do anteparo supera o comprimento de onda, a transmissão da onda parece ser dificultada, o que resulta em leituras inconsistentes e perda de precisão. Nesses casos, parte da onda pode ser refletida, absorvida ou dispersa, levando a variações imprevisíveis nas medições.

Essas observações evidenciam a importância de uma calibração cuidadosa dos sensores ultrassônicos, considerando a espessura e a natureza dos anteparos. A escolha inadequada da espessura pode introduzir erros sistemáticos nas medições, comprometendo a qualidade dos dados coletados. Assim, o ajuste da espessura dos anteparos é um fator crítico na melhoria da precisão em aplicações que exigem alta fidelidade de medição, como na indústria de automação, robótica, controle de qualidade, e monitoramento ambiental.

Para ampliar a compreensão desse fenômeno, estamos conduzindo estudos adicionais que investigam como diferentes materiais e configurações experimentais influenciam a difração e a transmissão das ondas ultrassônicas. A nossa hipótese é que propriedades acústicas distintas dos materiais, como densidade, elasticidade e coeficiente de absorção, podem impactar a propagação das ondas de maneiras diversas. Por exemplo, materiais altamente absorventes podem atenuar as ondas ultrassônicas, enquanto materiais rígidos podem refletir mais intensamente essas ondas.

Estamos explorando se o comportamento observado é específico de combinações particulares de espessura e material ou se é uma característica geral aplicável a uma ampla gama de condições experimentais. Acreditamos que um estudo detalhado desses fatores permitirá o desenvolvimento de modelos preditivos mais robustos sobre como os sensores ultrassônicos se comportam em diferentes cenários.

Este conhecimento é particularmente relevante para o ensino de física, pois oferece uma oportunidade valiosa para conectar conceitos teóricos com aplicações práticas. Ao compreender melhor como materiais e configurações afetam a propagação das ondas ultrassônicas, podemos criar atividades educativas mais envolventes e ilustrativas. Essas atividades podem ajudar os alunos a visualizar e experimentar princípios físicos fundamentais, como difração e absorção de ondas, promovendo uma compreensão mais profunda e prática dos conceitos. Além disso, a aplicação desses conceitos em contextos reais pode enriquecer o aprendizado e estimular o interesse dos estudantes pela física, preparando-os melhor para enfrentar desafios científicos e tecnológicos futuros.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_

## Referências

HALLIDAY, D.; RESNICK, R.; WALKER, J. Fundamentals of physics. 10. ed. Hoboken: John Wiley &amp; Sons, 2013.

KINSER, R. B.; FREY, G.; RICHARDSON, T. Understanding ultrasonics: practical applications and physics of sound waves. Boca Raton: CRC Press, 2018.

MAROCCO, Bárbara Taroco; LIMA, Lílian de Castro Corrêa; GATI, Marciel Magno da Silveira; GONZE, Maria Verônica Rocha; ROSA, Tamires Christine Dias. Sensor ultrassônico de variação de barreiras . Experimentos com Arduino. Disponível em:

https://drive.google.com/drive/folders/165AUR4e0U0ayyn76YvQwLWEYlZ3g7so4?u sp=drive\_link

NEDELSKY, L. Science teaching and science testing. Chicago: Chicago University Press, 1961.

PEPPERL+FUCHS. Produtos. Disponível em: https://www.pepperlfuchs.com/brazil/pt/classid\_184.htm?view=productgroupovervie

w. Acesso em: 06 jul. 2023, às 6:30.

STA ELETRÔNICA. Funcionamento do sensor ultrassônico HC-SR04. Disponível em:

https://www.sta-eletronica.com.br/artigos/arduinos/sensor-ultrassonicohcsr04#:~:tex t=Funcionamento%20do%20sensor%20ultrass%C3%B4nico%20HC%2DSR04&amp;tex t=Os%20sensores%20ultrass%C3%B4nicos%20funcionam%20enviando,retornar% C3%A1%20esse%20sinal%20ao%20m%C3%B3dulo. Acesso em: 05 jun. 2024.

SUPER ENSINO. Velocidade de propagação. Disponível em: https://sites.google.com/a/superensino.com/appondulatoriamnpef/home/materialdid atico/reflexao/velocidade-de-propagao. Acesso em: 03 jul. 2024, às 20:00.

WHITE, R.; GUSTONE, R. Probing understanding. Londres: The Falmer Press, 1992.

## AGRADECIMENTOS

Os autores agradecem ao FNDE pelo suporte financeiro para desenvolvimento do trabalho, pelo vínculo com o Programa de Educação Tutorial.

\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_\_