Cenovo dostupný hydrofónny a ultrazvukový prevodník: 6 krokov

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy zmenené: 2024-01-30 11:59

Chcete zaznamenávať rozprávanie delfínov alebo veľrýb? Alebo postaviť podvodný akustický komunikačný systém? Dobre, naučíme vás „ako na to“.

Začnime s hlavnou vecou: anténa. Ak v každodennom živote používame reproduktory (napríklad vo vašom prenosnom počítači alebo aute) na emisiu zvuku a mikrofón na záznam zvuku, potom sa ponáhľam, aby som vám urobil radosť: prenos zvuku pod vodou (hovoríme „žiarenie“) a nahrávanie zvuku často vykonáva rovnaké zariadenie, ktoré sa nazýva podvodná akustická (hydroakustická) anténa alebo hydrofón (ak ide o zariadenie iba na príjem), alebo prevodník, ak funguje obojsmerne.

V drvivej väčšine prípadov sa hydroakustická anténa skladá z jedného alebo viacerých piezoelektrických prvkov: platní, diskov, prstencov, trubíc, gulí, hemisfér atď.

Piezo prvky majú takzvaný piezoelektrický efekt. Ak je na prvok privedený striedavý elektrický signál, prvok začne kmitať a ak prvok kmitá napríklad akustickou vlnou, potom sa na ňom začne generovať striedavý elektrický signál.

Preto piezoelektrický prvok prevádza elektrický signál na akustické vlny (mechanické vibrácie) a naopak - akustické vlny na elektrický signál.

Ako sa hovorí: teória bez praxe je mŕtva! Nestrácajme čas a vyrobme si pár hydroakustických antén.

Krok 1: Kusovník

Materiály, ktoré potrebujeme:

• pár piezoelektrických bzučiakov Ф35 mm (na Aliexpress sme kúpili 10 kusov za 1,5 dolára)
• 10-metrový kus kábla RG-174
• dva jack 3,5 mm stereo konektory
• medený / mosadzný / nerezový plech široký 50 x 100 mm s hrúbkou 1 až 2 mm
• epoxidové lepidlo
• silikónový tmel (neactový)
• spájka a tavidlo
• alkohol na odmasťovanie
• akékoľvek dva odpory s nominálnymi hodnotami ~ 100Ω a 470-1000 kΩ (vzali sme 0,25 W MF25)
• dve diódy 1N4934
• nylonová niť

Nástroje:

• vŕtačky a vŕtačky Ф3 mm a 2,5 mm (na vŕtanie medeného plechu)
• píla alebo dremel (na rezanie medeného plechu)
• brúsny papier zrnitosti 200-600 (na čistenie medenej dosky)
• nôž, nožnice na drôt (na odizolovanie drôtov)
• stanica na prepájanie spájkovačky alebo PCB
• zubná stierka na vyrovnanie tmelu

Krok 2: Veľmi ľahký obvod

Nie je dobré priamo spájať piezo prvok so zvukovou kartou, prenosným počítačom alebo tabletom.

Po prvé, piezoelektrický prvok môže akumulovať dostatočne veľký náboj, ktorý môže pri pripojení poškodiť elektroniku.

Za druhé, keď ste pripojení k linkovému alebo mikrofónovému vstupu zvukovej karty, musíte chrániť vstupnú kaskádu zvukovej karty.

Aby sme zabránili akumulácii náboja v nepripojenej anténe, zapojíme k nej paralelne odpor 0,5-1 MΩ (R1).

V prijímacej anténe na obmedzenie maximálneho napätia môžete zostaviť najjednoduchší obmedzovač prahov z diód D1, D2 a rezistora 100Ω (R2). Ako diódy sme použili 1N4934 a ako odpory R1, R2 sme vzali MF25 (R1 470 kOhm).

Upozorňujeme, že ak plánujete pripojiť prijímaciu anténu k vstupu mikrofónu (a nie k linkovému), budete dodatočne potrebovať kondenzátor C1 s nominálnym 0,1.. 1 uF, v opačnom prípade výkon dodávaný zvukovou kartou k elektretovému mikrofónu bude skratovaný cez diódu D1.

Krok 3: Návrh antény

Samotné piezo prvky je potrebné prilepiť na kovové platne epoxidom. Zníži rezonančnú frekvenciu piezoelektrického prvku (ako sa pridá nezastavená hmotnosť).

Keď je piezoelektrický prvok prilepený jednou stranou k pevnej kovovej doske, nebude sa môcť stiahnuť a roztiahnuť a bude sa musieť ohýbať. To je to, čo potrebujeme.

• Vystrihli sme dve štvorcové platne 50 x 50 mm a vyvŕtali otvory pre kábel (priemer 3 mm) a dva otvory pre upevnenie kábla tenkým nylonovým závitom, ukázalo sa to ako na fotografii
• Antény dostali zo zakúpeného 10-metrového kábla dva kusy po 3 metroch, zvyšok nechal v zálohe
• Kábel navinieme do otvoru, jeho stredové jadro spájkujeme s metalizačnou vrstvou piezoelektrického prvku a obrazovku s kovovou základňou. Paralelne, ako bolo dohodnuté, spájkujeme odpor 470 kΩ.
• Vyčistíme druhý koniec kábla a zostavíme konektor: spájkujte centrálne jadro s centrálnym kontaktom (samotný hrot konektora), stredné nechajte nedotknuté a teleso konektora spájkujte s plášťom kábla.

Vždy zabudnem dať telo konektora na kábel a všetko musím dvakrát prepájkovať. Neopakujte moju chybu).

Po spájkovaní je veľmi dôležité vyčistiť tok - najmä na piezoelektrickom prvku. V opačnom prípade tok v priebehu času zožerie spájkovanie.

Pripravili sme teda dve antény (jedna z nich má obmedzovač prahu). Teraz je čas miesiť epoxid a používať latexové rukavice.

Krok 4: Lepenie

Pred lepením piezoelektrických prvkov na medené platne by mali byť obidva dôkladne obrúsené a odmastené alkoholom (etyl alebo izopropyl) alebo acetónom.

Nepoužívajte nič iné! Benzín alebo petrolej zanechávajú mastné stopy, ktoré zhoršujú priľnavosť.

Je potrebné pripomenúť, že všetky práce s alkoholmi, acetónom a epoxidom by sa mali vykonávať v dobre vetranej miestnosti s chránenými rukami a očami. Nezanedbávajte bezpečnostné pravidlá!

Nasýtime nylonový závit, ktorý drží kábel k doske. Na prilepenie piezoelektrického prvku na dosku použite trochu epoxidového lepidla. Neprežeň to! Epoxid by sa nemal dostať na vrchol, inak môže počas polymerizácie zničiť tenkú vrstvu piezokeramiky a epoxid sa vo vode zhoršuje.

Výsledkom by malo byť niečo ako na fotografiách. Epoxid obvykle úplne polymerizuje do 24 hodín. Antény sme napríklad nechali na druhý deň.

Krok 5: Hydroizolácia

Keď sme ráno dorazili do laboratória, zapojili sme prvú anténu (bez obmedzovača prahu) do konektora pre slúchadlá na prenosnom počítači. Ak zapnete hudbu a priložíte si anténu k uchu, môžete sa ubezpečiť, že aspoň dobre počuteľný frekvenčný rozsah reprodukuje. Dokonca je tu aj náznak basov, výsledok medeného základu.

Teraz teda máme akustickú vysielaciu anténu, ale stále nie hydroakustickú. Aby sme to napravili, mali by sme anténu znova odmastiť a zakryť tenkou vrstvou tmelu.

Dôležitá poznámka: Nepoužívajte sanitárny tmel obsahujúci acetát! Kyselina octová, ktorá je v ňom obsiahnutá, koroduje spájkované spoje, kábel a metalizáciu piezoelektrického prvku.

Odporúčame tekutú gumu Kim Tek pre lode a jachty. Kutilovia z USA môžu namiesto tmelu použiť vynikajúce polyuretánové zmesi od spoločnosti Smooth-On.

Pre naše pohodlie najskôr naplníme lekársku jednorazovú striekačku tmelom a potom ju nanesieme na piezoelektrický prvok a spájkovacie spoje.

Po nanesení tmelu ho vyrovnáme zubnou špachtľou alebo tým, čo je vhodné (aj prstom). Nakoniec sme to dostali ako na obrázku.

Nemali by ste vytvárať vrstvu tmelu príliš hrubú - anténa stratí citlivosť. Vrstva 1 mm je úplne dostačujúca. Spájkovacie spoje, odpory a diódy opatrne chráňte tmelom.

Zadnú stranu platne môžete zakryť tmelom - urobili sme to na jednej anténe.

Ak posuniete odpory a diódy bližšie k káblu, potom bude piezoelektrický prvok oveľa pohodlnejšie rozmazať tmelom a vrstva bude hladšia.

Po dokončení tohto druhu sochárskej práce necháme antény opäť 24 hodín …

A gratulujem! Teraz máte dva hydrofóny!

Krok 6: Uverejnite skriptum

Teraz môžete skontrolovať, ako dobre sú novo postavené antény, pripojením priamo k prenosnému počítaču, tabletu alebo telefónu.

Bohužiaľ, nie všetky zariadenia sú šetrné k podvodnej akustike. Väčšina moderných zvukových kariet má dolnopriepustné filtre na vstupe pre mikrofón, ktoré znižujú všetko nad 15 kHz. Niektoré prenosné počítače však takéto filtre nemajú.

Tieto hydrofóny a prevodníky, ktoré sme vytvorili, sú len začiatok: plánujeme vydať sériu inštrukcií o podvodnej akustickej komunikácii a navigácii, dajte nám prosím vedieť, ak máte záujem!