Niedrogi hydrofon i przetwornik ultradźwiękowy: 6 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:31

Chcesz nagrać mówiące delfiny lub wieloryby? Albo zbudować podwodny system komunikacji akustycznej? Ok, nauczymy Cię „jak”.

Zacznijmy od najważniejszego: anteny. Jeśli na co dzień używamy głośników (takich jak w laptopie czy samochodzie) do emisji dźwięku i mikrofonu do nagrywania dźwięku, to śpieszę się proszę: dźwięk przenoszący się pod wodą (mówimy „promieniowanie”) i nagrywanie dźwięku są często wykonywane przez to samo urządzenie, które nazywa się podwodną anteną akustyczną (hydroakustyczną) lub hydrofon (jeśli jest to urządzenie tylko odbiorcze) lub przetwornik, jeśli działa w obie strony.

W przeważającej większości przypadków antena hydroakustyczna składa się z jednego lub kilku elementów piezoelektrycznych: płyt, dysków, pierścieni, rurek, kul, półkul itp.

Elementy piezo mają tak zwany efekt piezoelektryczny. Jeśli do elementu zostanie doprowadzony zmienny sygnał elektryczny, element zaczyna drgać, a jeśli element oscyluje, na przykład pod wpływem fali akustycznej, to zaczyna się na nim generować zmienny sygnał elektryczny.

Dlatego element piezoelektryczny zamienia sygnał elektryczny na fale akustyczne (drgania mechaniczne) i odwrotnie - fale akustyczne na sygnał elektryczny.

Jak to się mówi: teoria bez praktyki jest martwa! Nie traćmy czasu i zróbmy parę anten hydroakustycznych.

Krok 1: Zestawienie materiałów

Materiały, których potrzebujemy:

• para buzzerów piezo 35mm (kupiliśmy 10 sztuk za 1,5$ na Aliexpress)
• 10-metrowy kawałek kabla RG-174
• dwa złącza stereo jack 3,5 mm
• płyta miedziana / mosiężna / nierdzewna o szerokości 50x100 mm o grubości 1-2 mm
• klej epoksydowy
• uszczelniacz silikonowy (nieoctowy)
• lut i topnik
• alkohol do odtłuszczania
• dowolne dwa rezystory o wartościach nominalnych ~100Ω i 470-1000 kΩ (wzięliśmy 0,25 W MF25)
• dwie diody 1N4934
• nylonowa nić

Instrumenty:

• wiertło i wiertła Ф3mm i 2,5mm (do wiercenia blachy miedzianej)
• piła do metalu lub dremel (do cięcia miedzianej płytki)
• papier ścierny o ziarnistości 200-600 (do czyszczenia blachy miedzianej)
• nóż, przecinaki do drutu (do zdejmowania izolacji z przewodów)
• lutownica lub stacja przeróbkowa PCB,
• szpatułka dentystyczna do szczeliwa poziomującego

Krok 2: Bardzo łatwe obwody

Po prostu nie jest dobrym pomysłem podłączenie elementu piezo bezpośrednio do karty dźwiękowej, laptopa lub tabletu.

Po pierwsze, element piezoelektryczny może gromadzić wystarczająco duży ładunek, który może uszkodzić elektronikę po podłączeniu.

Po drugie, po podłączeniu do wejścia liniowego lub mikrofonowego karty dźwiękowej, należy chronić kaskadę wejściową karty dźwiękowej.

Aby zapobiec gromadzeniu się ładunku przez niepodłączoną antenę, umieszczamy równolegle do niej rezystor 0,5-1 MΩ (R1).

W antenie odbiorczej w celu ograniczenia maksymalnego napięcia można zamontować najprostszy ogranicznik progu z diod D1, D2 i rezystora 100Ω (R2). Jako diody użyliśmy 1N4934, a jako rezystory R1, R2 przyjęliśmy MF25 (R1 470 kOhm).

Należy pamiętać, że jeśli planujesz podłączyć antenę odbiorczą do wejścia mikrofonowego (a nie liniowego), to dodatkowo potrzebny będzie kondensator C1 o nominalnej wartości 0,1.. 1 uF, w przeciwnym razie moc dostarczana przez kartę dźwiękową do mikrofonu elektretowego zostanie zwarte przez diodę D1.

Krok 3: Projekt anteny

Same elementy piezo należy przykleić żywicą epoksydową do metalowych płyt. Spowoduje to obniżenie częstotliwości rezonansowej elementu piezoelektrycznego (w miarę dodawania nie zawieszonej masy).

Ponadto, przyklejony z jednej strony do sztywnej metalowej płyty, element piezoelektryczny nie będzie mógł się kurczyć i rozciągać i będzie musiał się zginać. Właśnie tego potrzebujemy.

• Wycięliśmy dwie kwadratowe płytki 50 x 50 mm i wywierciliśmy otwory na kabel (średnica 3 mm) oraz dwa otwory do mocowania kabla cienką nylonową nicią, okazało się jak na zdjęciu
• Anteny dostały dwie sztuki po 3 metry z zakupionego 10-metrowego kawałka kabla, resztę pozostawiono w rezerwie
• Kabel nawijamy do otworu, lutujemy jego centralny rdzeń do warstwy metalizacji elementu piezoelektrycznego, a ekran do metalowej podstawy. Równolegle, zgodnie z ustaleniami, lutujemy rezystor 470 kΩ.
• Czyścimy drugi koniec kabla i montujemy złącze: przylutuj centralny rdzeń do środkowego styku (sam koniec złącza), środkowy pozostawiamy nienaruszony, a korpus złącza lutujemy do osłony kabla.

Zawsze zapominam nałożyć korpus złącza na kabel i muszę wszystko przelutować dwa razy. Nie powtarzaj mojego błędu).

Po lutowaniu bardzo ważne jest oczyszczenie topnika - szczególnie na elemencie piezoelektrycznym. W przeciwnym razie z biegiem czasu topnik zje lut.

Przygotowaliśmy więc dwie anteny (jedna z nich posiada ogranicznik progu). Teraz nadszedł czas, aby zagnieść żywicę epoksydową i założyć lateksowe rękawiczki.

Krok 4: Klejenie

Przed przyklejeniem elementów piezoelektrycznych do płytek miedzianych obydwa należy dokładnie przeszlifować i odtłuścić alkoholem (etylowym lub izopropylowym) lub acetonem.

Nie używaj niczego innego! Benzyna lub nafta pozostawiają tłuste ślady pogarszające przyczepność.

Warto przypomnieć, że wszelkie prace z alkoholami, acetonem i żywicami epoksydowymi należy wykonywać w dobrze wentylowanym pomieszczeniu, z ochroną rąk i oczu. Nie lekceważ zasad bezpieczeństwa!

Nasączamy nylonową nić, która trzyma kabel do płytki. Do przyklejenia elementu piezoelektrycznego do płytki wystarczy użyć odrobiny kleju epoksydowego. Nie przesadź! Epoksyd nie powinien dostać się na górę, w przeciwnym razie może zniszczyć cienką warstwę piezoceramiki podczas polimeryzacji, a żywica epoksydowa psuje się w wodzie.

Wynik powinien wyglądać jak na zdjęciach. Zwykle żywica epoksydowa polimeryzuje całkowicie w ciągu 24 godzin. My na przykład zostawiliśmy nasze anteny do następnego dnia.

Krok 5: Hydroizolacja

Gdy rano dotarliśmy do laboratorium, pierwszą antenę (bez ogranicznika progowego) podłączyliśmy do gniazda słuchawkowego laptopa. Jeśli włączysz muzykę i przyłożysz antenę do ucha, możesz upewnić się, że przynajmniej słyszalny zakres częstotliwości jest dość dobrze odtwarzany. Jest nawet nuta basu, wynik miedzianej podstawy.

Więc teraz mamy akustyczną antenę nadawczą, ale nadal nie hydroakustyczną. Aby to naprawić, powinniśmy ponownie odtłuścić antenę i pokryć ją cienką warstwą uszczelniacza.

Ważna uwaga: nie używać uszczelniacza sanitarnego zawierającego octan! Zawarty w nim kwas octowy spowoduje korozję złączy lutowniczych, kabla i metalizacji elementu piezoelektrycznego.

Polecamy gumę płynną Kim Tek do łodzi i jachtów. Majsterkowicze ze Stanów Zjednoczonych mogą zamiast uszczelniacza użyć doskonałych mieszanek poliuretanowych firmy Smooth-On.

Dla naszej wygody najpierw napełniamy jednorazową strzykawkę medyczną szczeliwem, a następnie nakładamy go na element piezoelektryczny i złącza lutowane.

Po nałożeniu uszczelniacza wyrównujemy go szpachelką dentystyczną lub innym dogodnym sposobem (nawet palcem). W końcu dostaliśmy to jak na zdjęciu.

Nie powinieneś robić zbyt grubej warstwy szczeliwa - antena straci czułość. Warstwa 1 mm jest absolutnie wystarczająca. Starannie zabezpiecz złącza lutowane, rezystory i diody uszczelniaczem.

Tylną stronę płyty można pokryć szczeliwem - zrobiliśmy to na jednej antenie.

Jeśli przesuniesz rezystory i diody bliżej kabla, wówczas element piezoelektryczny będzie znacznie wygodniej posmarować uszczelniaczem, a warstwa będzie gładsza.

Po zakończeniu tego rodzaju pracy rzeźbiarskiej, ponownie zostawiamy anteny na 24 godziny….

I gratulacje! Teraz masz dwa hydrofony!

Krok 6: Post Scriptum

Teraz możesz sprawdzić, jak dobre są nowo zbudowane anteny podłączając je bezpośrednio do laptopa, tabletu lub telefonu.

Niestety nie wszystkie urządzenia są przyjazne dla podwodnej akustyki. Większość nowoczesnych kart dźwiękowych ma filtry dolnoprzepustowe na wejściu mikrofonowym, odcinające wszystko powyżej 15 kHz. Ale niektóre laptopy nie mają takich filtrów.

Te hydrofony i przetworniki, które zbudowaliśmy, to dopiero początek: planujemy opublikować serię instrukcji dotyczących podwodnej komunikacji akustycznej i nawigacji, daj nam znać, jeśli jesteś zainteresowany!