Levný hydrofonový a ultrazvukový převodník: 6 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:22

Chcete zaznamenat mluvení delfínů nebo velryb? Nebo postavit podvodní akustický komunikační systém? Dobře, naučíme vás „jak na to“.

Začněme tím hlavním: anténou. Pokud v každodenním životě používáme k vyzařování zvuku reproduktory (například ve vašem notebooku nebo v autě) a pro záznam zvuku mikrofon, pak vám pospíším: zvukový přenos pod vodou (říkáme „záření“) a záznam zvuku často provádí stejné zařízení, které se nazývá podvodní akustická (hydroakustická) anténa, nebo hydrofon (pokud se jedná o zařízení pouze pro příjem), nebo převodník, pokud funguje obousměrně.

V drtivé většině případů se hydroakustická anténa skládá z jednoho nebo několika piezoelektrických prvků: desky, disky, prstence, trubice, koule, polokoule atd.

Piezoelektrické prvky mají takzvaný piezoelektrický efekt. Pokud je na prvek přiveden střídavý elektrický signál, prvek začne kmitat a pokud prvek kmitá například akustickou vlnou, pak na něm začne být generován střídavý elektrický signál.

Piezoelektrický prvek proto převádí elektrický signál na akustické vlny (mechanické vibrace) a naopak - akustické vlny na elektrický signál.

Jak se říká: teorie bez praxe je mrtvá! Neztrácejme čas a vyrobme si pár hydroakustických antén.

Krok 1: Kusovník

Materiály, které potřebujeme:

• pár piezoelektrických bzučáků Ф35 mm (na Aliexpress jsme koupili 10 kusů za 1,5 $)
• 10metrový kus kabelu RG-174
• dva jack 3,5 mm stereo konektory
• měděná / mosazná / nerezová deska široká 50x100 mm, tloušťka 1-2 mm
• epoxidové lepidlo
• silikonový tmel (neoctový)
• pájka a tavidlo
• alkohol na odmaštění
• libovolné dva odpory se jmenovitými hodnotami ~ 100Ω a 470-1000 kΩ (vzali jsme 0,25 W MF25)
• dvě diody 1N4934
• nylonová nit

Nástroje:

• vrták a vrták Ф3 mm a 2,5 mm (k vrtání měděného plechu)
• pila na dřevo nebo dremel (k řezání měděného plechu)
• brusný papír zrnitosti 200-600 (k čištění měděné desky)
• nůž, nůžky na drát (pro odizolování drátů)
• stanice pro přepájení páječky nebo PCB
• zubní stěrka pro vyrovnávací tmel

Krok 2: Velmi snadné obvody

Není to dobrý nápad přímo připojit piezo prvek ke zvukové kartě, notebooku nebo tabletu.

Za prvé, piezoelektrický prvek může akumulovat dostatečně velký náboj, který může při připojení poškodit elektroniku.

Za druhé, když jste připojeni k linkovému nebo mikrofonnímu vstupu zvukové karty, musíte chránit vstupní kaskádu zvukové karty.

Abychom zabránili nespojené anténě akumulovat náboj, zapojili jsme k ní paralelně odpor 0,5-1 MΩ (R1).

V přijímací anténě pro omezení maximálního napětí můžete sestavit nejjednodušší omezovač prahů z diod D1, D2 a odporu 100Ω (R2). Jako diody jsme použili 1N4934 a jako odpory R1, R2 jsme vzali MF25 (R1 470 kOhm).

Vezměte prosím na vědomí, že pokud plánujete připojit přijímací anténu k mikrofonnímu vstupu (a ne k linkovému), budete navíc potřebovat kondenzátor C1 o jmenovité hodnotě 0,1.. 1 uF, v opačném případě výkon dodávaný zvukovou kartou elektretový mikrofon bude zkratován přes diodu D1.

Krok 3: Návrh antény

Samotné piezoelektrické prvky je třeba lepit na kovové desky epoxidem. Sníží rezonanční frekvenci piezoelektrického prvku (přidáním nezastavené hmoty).

Když je piezoelektrický prvek přilepen jednou stranou k tuhé kovové desce, nebude se moci smršťovat a natahovat a bude se muset ohýbat. To je to, co potřebujeme.

• Vyřízli jsme dvě čtvercové desky 50 x 50 mm a vyvrtali otvory pro kabel (průměr 3 mm) a dva otvory pro upevnění kabelu tenkým nylonovým závitem, ukázalo se to jako na fotografii
• Antény dostaly ze zakoupeného 10metrového kabelu dva kusy po 3 metrech, zbytek nechal v záloze
• Kabel navineme do otvoru, připájíme jeho centrální jádro k metalizační vrstvě piezoelektrického prvku a stínění k jeho kovové základně. Paralelně, jak bylo dohodnuto, pájíme odpor 470 kΩ.
• Vyčistíme druhý konec kabelu a sestavíme konektor: připájíme centrální jádro ke středovému kontaktu (samotný hrot konektoru), prostřední necháme neporušené a tělo konektoru připájíme k plášti kabelu.

Vždy zapomenu dát tělo konektoru na kabel a musím vše dvakrát pájet. Neopakujte moji chybu).

Po pájení je velmi důležité vyčistit tavidlo - zejména na piezoelektrickém prvku. Jinak tok časem pájení sežere.

Připravili jsme tedy dvě antény (jedna z nich má omezovač prahu). Nyní je čas hníst epoxid a nosit latexové rukavice.

Krok 4: Lepení

Před lepením piezoelektrických prvků na měděné desky je třeba oba důkladně zbrousit a odmastit alkoholem (ethyl nebo isopropyl) nebo acetonem.

Nepoužívejte nic jiného! Benzín nebo petrolej zanechávají mastné stopy, které zhoršují přilnavost.

Je třeba připomenout, že veškerá práce s alkoholy, acetonem a epoxidem by měla být prováděna v dobře větrané místnosti s chráněnými rukama a očima. Nezanedbávejte bezpečnostní pravidla!

Nasycíme nylonový závit, který drží kabel k desce. K lepení piezoelektrického prvku na desku použijte jen trochu epoxidového lepidla. Nepřehánějte to! Epoxid by se neměl dostat nahoru, jinak může během polymerace zničit tenkou vrstvu piezokeramiky a navíc se epoxid ve vodě zhoršuje.

Výsledkem by mělo být něco jako na fotografiích. Epoxid obvykle polymeruje zcela do 24 hodin. Například jsme nechali antény do druhého dne.

Krok 5: Hydroizolace

Když jsme ráno dorazili do laboratoře, připojili jsme první anténu (bez omezovače prahu) ke konektoru pro sluchátka na notebooku. Pokud zapnete hudbu a přiložíte si anténu k uchu, můžete se ujistit, že alespoň dobře slyšitelný frekvenční rozsah reprodukuje. Je zde dokonce i náznak basů, výsledek měděné základny.

Nyní tedy máme akustickou vysílací anténu, ale stále ne hydroakustickou. Abychom to napravili, měli bychom anténu znovu odmastit a zakrýt tenkou vrstvou tmelu.

Důležitá poznámka: Nepoužívejte sanitární tmel obsahující acetát! Kyselina octová v něm obsažená zkoroduje pájené spoje, kabel a metalizaci piezoelektrického prvku.

Pro lodě a jachty doporučujeme tekutou gumu Kim Tek. Domácí kutilové ze Spojených států mohou místo tmelu použít vynikající polyuretanové směsi od společnosti Smooth-On.

Pro naše pohodlí nejprve naplníme lékařskou jednorázovou stříkačku tmelem a poté ji aplikujeme na piezoelektrický prvek a pájené spoje.

Po nanesení tmelu jej srovnejte zubní stěrkou nebo pomocí toho, co je vhodné (i prstem). Nakonec jsme to dostali jako na obrázku.

Neměli byste dělat vrstvu tmelu příliš silnou - anténa ztratí citlivost. Vrstva 1 mm je naprosto dostačující. Pájecí spoje, odpory a diody pečlivě chraňte tmelem.

Zadní stranu desky můžete zakrýt tmelem - udělali jsme to na jedné anténě.

Pokud přesunete odpory a diody blíže ke kabelu, pak bude piezoelektrický prvek mnohem pohodlnější namazat tmelem a vrstva bude hladší.

Po dokončení tohoto druhu sochařovy práce necháváme antény opět 24 hodin….

A gratuluji! Nyní máte dva hydrofony!

Krok 6: Post Scriptum

Nyní můžete zkontrolovat, jak dobré jsou nově postavené antény, připojením přímo k notebooku, tabletu nebo telefonu.

Bohužel ne všechna zařízení jsou k podvodní akustice přívětivá. Většina moderních zvukových karet má nízkoprůchodové filtry na vstupu mikrofonu, které snižují vše nad 15 kHz. Některé notebooky ale takové filtry nemají.

Tyto hydrofony a měniče, které jsme vyrobili, jsou jen začátek: plánujeme vydat sérii instruktáží o podvodní akustické komunikaci a navigaci, dejte nám prosím vědět, pokud máte zájem!