Poceni hidrofon in ultrazvočni pretvornik: 6 korakov

2024 Avtor: John Day | [email protected]. Nazadnje spremenjeno: 2024-01-30 12:05

Ali želite posneti govorjenje delfinov ali kitov? Ali zgraditi podvodni akustični komunikacijski sistem? V redu, naučili vas bomo, kako.

Začnimo z glavnim: antena. Če v vsakdanjem življenju uporabljamo zvočnike (na primer v prenosnem računalniku ali avtomobilu) za oddajanje zvoka in mikrofon za snemanje zvoka, se vam mudi, da vam ugodim: zvok, ki oddaja pod vodo (pravimo »sevanje«) in snemanje zvoka pogosto izvajata ista naprava, ki se imenuje podvodna akustična (hidroakustična) antena ali hidrofon (če gre samo za sprejemno napravo) ali pretvornik, če deluje v obe smeri.

V veliki večini primerov je hidroakustična antena sestavljena iz enega ali več piezoelektričnih elementov: plošč, diskov, obročev, cevi, krogel, hemisfer itd.

Piezo elementi imajo tako imenovani piezoelektrični učinek. Če se na element poda izmenični električni signal, začne element nihati, če pa element na primer niha z zvočnim valom, se na njem začne proizvajati izmenični električni signal.

Zato piezoelektrični element pretvori električni signal v zvočne valove (mehanske vibracije) in obratno - zvočne valove v električni signal.

Pregovor pravi: teorija brez prakse je mrtva! Ne izgubljajmo časa in naredimo par hidroakustičnih anten.

1. korak: Predmet materiala

Materiali, ki jih potrebujemo:

• par piezo zvočnikov F35 mm (na Aliexpressu smo kupili 10 kosov za 1,5 USD)
• 10-metrski kos kabla RG-174
• dva 3,5 -milimetrska stereo priključka
• bakrena / medeninasta / nerjaveča plošča širine 50x100 mm debeline 1-2 mm
• epoksi lepilo
• silikonsko tesnilo (brez ocete)
• spajkanje in fluks
• alkohol za razmaščevanje
• katera koli dva upora z nazivno vrednostjo ~ 100Ω in 470-1000 kΩ (vzeli smo 0,25 W MF25)
• dve diodi 1N4934
• najlonska nit

Instrumenti:

• vrtalnik in svedri Ф3 mm in 2,5 mm (za vrtanje bakrene plošče)
• žaga ali dremel (za rezanje bakrene plošče)
• brusni papir zrnavosti 200-600 (za čiščenje bakrene plošče)
• nož, rezalniki za žice (za odstranjevanje žic)
• spajkalnik ali postaja za predelavo PCB
• zobna lopatica za izravnavo tesnilne mase

Korak: Zelo enostavno vezje

Preprosto ni dobro, da piezo element neposredno povežete z zvočno kartico, prenosnim računalnikom ali tabličnim računalnikom.

Prvič, piezoelektrični element lahko nabere dovolj velik naboj, ki lahko pri priključitvi poškoduje elektroniko.

Drugič, ko ste priključeni na linijski ali mikrofonski vhod zvočne kartice, morate zaščititi vhodno kaskado zvočne kartice.

Da bi nepovezani anteni nabrali naboj, smo vzporedno postavili upor 0,5-1 MΩ (R1).

V sprejemno anteno za omejitev največje napetosti lahko sestavite najpreprostejši omejevalnik praga iz diod D1, D2 in upora 100Ω (R2). Kot diode smo uporabili 1N4934 in kot upore R1, R2 vzeli MF25 (R1 470 kOhm).

Upoštevajte, da če nameravate sprejemno anteno priključiti na vhod za mikrofon (in ne na linijo ena), boste dodatno potrebovali kondenzator C1 z nazivno vrednostjo 0,1.. 1 uF, sicer napajanje zvočne kartice do elektronskega mikrofona bo prišlo do kratkega stika skozi diodo D1.

3. korak: Oblikovanje antene

Piezo elemente je treba lepiti na kovinske plošče z epoksidom. Znižala bo resonančno frekvenco piezoelektričnega elementa (ko se doda nesuspendirana masa).

Tudi piezoelektrični element, ki je z ene strani prilepljen na trdno kovinsko ploščo, se ne bo mogel skrčiti in raztegniti, zato se bo moral upogniti. To potrebujemo.

• Izrezali smo dve kvadratni plošči 50 x 50 mm in izvrtali luknje za kabel (premera 3 mm) in dve luknji za pritrditev kabla s tanko najlonsko nitjo, izkazalo se je kot na fotografiji
• Antene so od kupljenega 10-metrskega kosa kabla dobile dva kosa po 3 metre, ostalo je ostalo v rezervi
• Kabel navijamo v luknjo, njegovo osrednje jedro spajkamo na plast metalizacije piezoelektričnega elementa, zaslon pa na njegovo kovinsko podlago. Vzporedno smo, kot je bilo dogovorjeno, spajkali upor 470 kΩ.
• Drugi konec kabla očistimo in sestavimo konektor: osrednje jedro spajkamo na osrednji kontakt (sam vrh konektorja), sredino pustimo nedotaknjeno in telo konektorja spajkamo na plašč kabla.

Vedno pozabim namestiti ohišje konektorja na kabel in moram dvakrat znova spajkati. Ne ponavljaj moje napake).

Po spajkanju je zelo pomembno očistiti tok - zlasti na piezoelektričnem elementu. V nasprotnem primeru bo tok sčasoma pojedel spajkanje.

Tako smo pripravili dve anteni (ena ima omejevalnik praga). Zdaj je čas, da gnetete epoksid in nosite rokavice iz lateksa.

4. korak: Lepljenje

Pred lepljenjem piezoelektričnih elementov na bakrene plošče je treba oba temeljito obrusiti in razmastiti z alkoholom (etilom ali izopropilom) ali acetonom.

Ne uporabljajte ničesar drugega! Bencin ali kerozin puščajo mastne sledi, ki poslabšajo oprijem.

Omeniti velja, da je treba vsa dela z alkoholi, acetonom in epoksidom izvajati v dobro prezračevanem prostoru z zaščitenimi rokami in očmi. Ne zanemarjajte varnostnih pravil!

Nasičimo najlonsko nit, ki drži kabel na plošči. Za lepljenje piezoelektričnega elementa na ploščo uporabite le malo epoksidnega lepila. Ne pretiravajte! Epoksid ne sme priti na vrh, sicer lahko med polimerizacijo uniči tanko plast piezokeramike, poleg tega pa se epoksid v vodi poslabša.

Rezultat bi moral biti podoben kot na fotografijah. Običajno epoksid popolnoma polimerizira v 24 urah. Na primer, antene smo pustili do naslednjega dne.

5. korak: Hidroizolacija

Ko smo zjutraj prispeli v laboratorij, smo prvo anteno (brez omejevalnika praga) priključili na priključek za slušalke prenosnika. Če vklopite glasbo in anteno prinesete k ušesu, se lahko prepričate, da se vsaj slišno frekvenčno območje dobro reproducira. Obstaja celo kanček basa, ki je rezultat bakrene podlage.

Tako imamo zdaj zvočno oddajno anteno, vendar še vedno ne hidroakustično. Če želimo to odpraviti, moramo anteno znova razmastiti in prekriti s tanko plastjo tesnilne mase.

Pomembno opozorilo: Ne uporabljajte sanitarne tesnilne mase, ki vsebuje acetat! Ocetna kislina, ki jo vsebuje, razjeda spajkalne spoje, kabel in metalizacijo piezoelektričnega elementa.

Za čolne in jahte priporočamo tekočo gumo Kim Tek. DIY-eri iz Združenih držav lahko namesto tesnilne mase uporabljajo odlične poliuretanske spojine podjetja Smooth-On.

Za naše udobje medicinsko brizgo za enkratno uporabo najprej napolnimo s tesnilnim sredstvom, nato pa jo nanesemo na piezoelektrični element in spajkalne spoje.

Po nanosu tesnilne mase jo poravnamo z zobno lopatico ali s tem, kar je primerno (tudi s prstom). Na koncu smo dobili tako kot na sliki.

Plast tesnilne mase ne sme biti predebela - antena bo izgubila občutljivost. Plast 1 mm je povsem dovolj. Spajkalne spoje, upore in diode skrbno zaščitite s tesnilom.

Zadnjo stran plošče lahko prekrijete s tesnilom - to smo naredili na eni anteni.

Če premaknete upore in diode bližje kablu, bo piezoelektrični element veliko bolj priročno premazati s tesnilno maso in plast bo bolj gladka.

Po končanem tovrstnem kiparskem delu antene spet pustimo 24 ur….

In čestitke! Zdaj imate dva hidrofona!

6. korak: Post Scriptum

Zdaj lahko preverite, kako dobre so novo zgrajene antene, tako da jih priključite neposredno na prenosni računalnik, tablični računalnik ali telefon.

Na žalost niso vse naprave prijazne do podvodne akustike. Večina sodobnih zvočnih kartic ima nizkoprepustne filtre v vhodu za mikrofon, ki presežejo vse nad 15 kHz. Toda nekateri prenosni računalniki nimajo takšnih filtrov.

Ti hidrofoni in pretvorniki, ki smo jih zgradili, so le začetek: nameravamo objaviti serijo navodil o podvodni akustični komunikaciji in navigaciji. Če vas zanima, nam to sporočite!