Jeftini hidrofon i ultrazvučni pretvarač: 6 koraka

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zadnja izmjena: 2024-01-30 08:07

Želite li snimiti delfine ili kitove kako govore? Ili izgraditi podvodni akustički komunikacijski sistem? U redu, naučit ćemo vas 'kako to učiniti'.

Počnimo s glavnom: antenom. Ako u svakodnevnom životu koristimo zvučnike (na primjer, na prijenosnom računaru ili u automobilu) za emitiranje zvuka i mikrofon za snimanje zvuka, žurim vam se udovoljiti: zvuk koji emitira pod vodom (mi kažemo "zračenje") i snimanje zvuka često izvode isti uređaj, koji se naziva podvodna akustična (hidroakustična) antena, ili hidrofon (ako je uređaj samo za prijem), ili pretvarač ako radi u oba smjera.

U velikoj većini slučajeva, hidroakustična antena sastoji se od jednog ili više piezoelektričnih elemenata: ploča, diskova, prstenova, cijevi, sfera, hemisfera itd.

Piezo elementi imaju takozvani piezoelektrični učinak. Ako se na element primijeni izmjenični električni signal, element počinje oscilirati, a ako element oscilira, na primjer, akustičnim valom, tada se na njemu počinje stvarati izmjenični električni signal.

Stoga piezoelektrični element pretvara električni signal u akustične valove (mehaničke vibracije) i obrnuto - akustične valove u električni signal.

Kako se kaže: teorija bez prakse je mrtva! Ne gubimo vrijeme i napravimo par hidroakustičnih antena.

Korak 1: Opis materijala

Materijali koji su nam potrebni:

• par piezo zujalica F35mm (kupili smo 10 komada za 1,5 USD na Aliexpressu)
• komad kabla RG-174 od 10 metara
• dva priključka za stereo konektore od 3,5 mm
• bakrena / mesingana / nehrđajuća ploča širine 50x100 mm debljine 1-2 mm
• epoksidno ljepilo
• silikonsko brtvilo (bez octena)
• lemljenje i fluks
• alkohol za odmašćivanje
• bilo koja dva otpornika nominalnih vrijednosti ~ 100Ω i 470-1000 kΩ (uzeli smo 0,25 W MF25)
• dvije diode 1N4934
• najlonski konac

Instrumenti:

• bušilica i bušilice F3mm i 2.5 mm (za bušenje bakrene ploče)
• nožna pila ili dremel (za rezanje bakrene ploče)
• brusni papir granulacije 200-600 (za čišćenje bakrene ploče)
• nož, rezači žice (za skidanje žica)
• lemilicu ili stanicu za preradu PCB -a
• zubna lopatica za izravnavanje brtvila

Korak 2: Vrlo jednostavno strujno kolo

Jednostavno nije dobra ideja spojiti piezo element na zvučnu karticu, prijenosno računalo ili tablet.

Prvo, piezoelektrični element može akumulirati dovoljno veliki naboj koji može oštetiti elektroniku pri spajanju.

Drugo, kada ste spojeni na linijski ili mikrofonski ulaz zvučne kartice, morate zaštititi ulaznu kaskadu zvučne kartice.

Kako bismo spriječili da nepovezana antena akumulira naboj, paralelno smo stavili otpornik od 0,5-1 MΩ (R1).

U prijemnu antenu za ograničenje maksimalnog napona možete sastaviti najjednostavniji granični prag od dioda D1, D2 i otpornika 100Ω (R2). Kao diode koristili smo 1N4934, a kao otpornike R1, R2 uzeli smo MF25 (R1 470 kOhm).

Imajte na umu da ako planirate spojiti prijemnu antenu na ulaz mikrofona (a ne na liniju jedan), tada će vam dodatno trebati kondenzator C1 nominalnog 0,1.. 1 uF, u suprotnom, snaga koju daje zvučna kartica do elektronskog mikrofona bit će kratko spojen kroz diodu D1.

Korak 3: Dizajn antene

Sami piezo elementi moraju se lijepiti na metalne ploče epoksidom. Snizit će rezonantnu frekvenciju piezoelektričnog elementa (kako se dodaje nesuspendirana masa).

Također, budući da je s jedne strane zalijepljen na čvrstu metalnu ploču, piezoelektrični element neće se moći skupiti i rastegnuti te će se morati saviti. To je ono što nam treba.

• Izrezali smo dvije kvadratne ploče 50 x 50 mm i izbušili rupe za kabel (promjera 3 mm) i dvije rupe za pričvršćivanje kabela tankim najlonskim navojem, pokazalo se kao na fotografiji
• Antene su dobile dva komada po 3 metra od kupljenog 10-metarskog kabla, ostalo je ostalo u rezervi
• Namotavamo kabel u rupu, lemimo njegovo središnje jezgro na sloj metalizacije piezoelektričnog elementa, a ekran na njegovu metalnu podlogu. Paralelno, prema dogovoru, lemili smo otpornik od 470 kΩ.
• Očistimo drugi kraj kabela i sastavljamo konektor: lemimo središnje jezgro na centralni kontakt (sam vrh konektora), ostavljamo srednji netaknut i lemimo tijelo konektora na omotač kabla.

Uvijek zaboravim staviti tijelo konektora na kabel i moram sve ponovo lemiti dva puta. Ne ponavljaj moju grešku).

Nakon lemljenja vrlo je važno očistiti fluks - posebno na piezoelektričnom elementu. U suprotnom, vremenom će fluks pojesti lemljenje.

Dakle, pripremili smo dvije antene (jedna od njih ima limiter praga). Sada je vrijeme da zamijesite epoksid i nosite rukavice od lateksa.

Korak 4: Lijepljenje

Prije lijepljenja piezoelektričnih elemenata na bakrene ploče, oba treba temeljito izbrusiti i odmastiti alkoholom (etil ili izopropil) ili acetonom.

Ne koristite ništa drugo! Benzin ili petrolej ostavljaju masne tragove koji narušavaju prianjanje.

Vrijedno je podsjetiti da se svi radovi s alkoholima, acetonom i epoksidom trebaju izvoditi u dobro prozračenoj prostoriji sa zaštićenim rukama i očima. Ne zanemarujte sigurnosna pravila!

Zasićujemo najlonski konac koji drži kabel za ploču. Za lijepljenje piezoelektričnog elementa na ploču upotrijebite samo malo epoksidnog ljepila. Ne pretjerujte! Epoksid ne bi trebao doći do vrha, u protivnom može uništiti tanki sloj piezokeramike tijekom polimerizacije, a epoksid se raspada u vodi.

Rezultat bi trebao biti nešto poput na fotografijama. Obično se epoksid potpuno polimerizira u roku od 24 sata. Na primjer, ostavili smo svoje antene do sljedećeg dana.

Korak 5: Hidroizolacija

Kad smo ujutro stigli u laboratoriju, priključili smo prvu antenu (bez graničnika praga) na priključak za slušalice na prijenosnom računaru. Uključite li muziku i postavite antenu do uha, možete se uvjeriti da se barem zvučni raspon reproducira prilično dobro. Postoji čak i nagovještaj basa, rezultat bakrene baze.

Dakle, sada imamo akustičnu odašiljačku antenu, ali još uvijek ne hidroakustičku. Da bismo to riješili, trebali bismo ponovno odmastiti antenu i pokriti je tankim slojem brtvila.

Važna napomena: Nemojte koristiti sanitarno brtvilo koje sadrži acetat! Octena kiselina koja se nalazi u njoj nagriza lemne spojeve, kabel i metalizaciju piezoelektričnog elementa.

Preporučujemo Kim Tek tekuću gumu za čamce i jahte. DIY-eri iz Sjedinjenih Država mogu koristiti izvrsne poliuretanske smjese kompanije Smooth-On umjesto brtvila.

Radi naše udobnosti, medicinsku špricu za jednokratnu upotrebu prvo napunimo brtvilom, a zatim je nanesemo na piezoelektrični element i lemne spojeve.

Nakon nanošenja brtvila, izravnavamo ga zubnom lopaticom ili onim što je prikladno (čak i prstom). Na kraju smo dobili kao na slici.

Ne smijete učiniti sloj brtvila previše debelim - antena će izgubiti osjetljivost. Sloj od 1 mm je sasvim dovoljan. Pažljivo zaštitite lemne spojeve, otpornike i diode brtvilom.

Stražnju stranu ploče možete pokriti brtvilom - to smo učinili na jednoj anteni.

Ako pomaknete otpornike i diode bliže kabelu, piezoelektrični element bit će mnogo prikladnije namazati brtvilom i sloj će biti glatkiji.

Po završetku ovog vajarskog posla, ponovo ostavljamo antene 24 sata….

I čestitam! Sada imate dva hidrofona!

Korak 6: Post Scriptum

Sada možete provjeriti koliko su novoizgrađene antene dobre povezivanjem direktno na prijenosno računalo, tablet ili telefon.

Nažalost, nisu svi uređaji pogodni za podvodnu akustiku. Većina modernih zvučnih kartica ima niskopropusne filtere na ulazu mikrofona, koji režu sve iznad 15 kHz. No, neki prijenosni računari nemaju takve filtere.

Ovi hidrofoni i pretvarači koje smo izgradili samo su početak: planiramo objaviti seriju instrukcija o podvodnoj akustičnoj komunikaciji i navigaciji, javite nam ako ste zainteresirani!