Lavpris-hydrofon og ultralydtransduser: 6 trinn

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sist endret: 2024-01-30 11:24

Vil du spille inn delfiner eller hvaler som snakker? Eller bygge et undervannsakustisk kommunikasjonssystem? Ok, vi skal lære deg hvordan du gjør det.

La oss starte med det viktigste: antenne. Hvis vi i hverdagen bruker høyttalere (for eksempel i din bærbare datamaskin eller bil) for lydemisjon og en mikrofon for lydopptak, så skynder jeg meg å glede deg: lydoverføring under vann (vi sier "stråling") og lydopptak utføres ofte av den samme enheten, som kalles en undervannsakustisk (hydroakustisk) antenne, eller hydrofon (hvis den er en mottaker), eller transduser hvis den fungerer begge veier.

I det overveldende flertallet av tilfellene består en hydroakustisk antenne av ett eller flere piezoelektriske elementer: plater, skiver, ringer, rør, sfærer, halvkuler, etc.

Piezo-elementer har den såkalte piezoelektriske effekten. Hvis et alternerende elektrisk signal tilføres et element, begynner elementet å svinge, og hvis elementet for eksempel svinger av en akustisk bølge, begynner det å bli generert et vekslende elektrisk signal på det.

Derfor konverterer det piezoelektriske elementet et elektrisk signal til akustiske bølger (mekaniske vibrasjoner) og omvendt - akustiske bølger til et elektrisk signal.

Som det sies: teori uten praksis er død! La oss ikke kaste bort tid og lage et par hydroakustiske antenner.

Trinn 1: Materialregning

Materialer vi trenger:

• et par piezo -summer Ф35mm (vi kjøpte 10 stykker for $ 1,5 på Aliexpress)
• et stykke på 10 meter RG-174
• to jack 3,5 mm stereokontakter
• kobber / messing / rustfri plate 50x100 mm bred 1-2 mm tykk
• epoksy lim
• silikonforsegling (ikke-eddik)
• loddetinn og fluss
• alkohol for avfetting
• to motstander med nominelle verdier ~ 100Ω og 470-1000 kΩ (vi tok 0,25 W MF25)
• to dioder 1N4934
• nylontråd

Instrumenter:

• bor og bor Ф3mm og 2,5 mm (til boring av kobberplate)
• baufil eller dremel (for å kutte en kobberplate)
• sandpapir 200-600 korn (for å rengjøre kobberplate)
• kniv, wire cutters (for stripping ledninger)
• loddejern eller PCB omarbeidingsstasjon
• tannspatel for utjevning av tetningsmasse

Trinn 2: Veldig lett kretsløp

Det er bare ikke en god idé å koble et piezo -element til et lydkort, bærbar PC eller nettbrett direkte.

For det første kan det piezoelektriske elementet akkumulere en stor nok ladning som kan skade elektronikken når den er tilkoblet.

For det andre, når du er koblet til en linje- eller mikrofoninngang på et lydkort, må du beskytte inngangskaskaden til lydkortet.

For å forhindre at den ikke-tilkoblede antennen akkumulerer ladning, setter vi en motstand på 0,5-1 MΩ (R1) parallelt med den.

I mottaksantennen for å begrense maksimal spenning kan du montere den enkleste terskelbegrenseren fra dioder D1, D2 og motstanden 100Ω (R2). Som dioder brukte vi 1N4934 og som motstander R1, R2 tok vi MF25 (R1 470 kOhm).

Vær oppmerksom på at hvis du planlegger å koble mottakerantennen til mikrofoninngangen (og ikke til linje 1), trenger du i tillegg en kondensator C1 med en nominell 0,1.. 1 uF, ellers strømmen fra lydkortet til elektretmikrofonen vil bli kortsluttet gjennom dioden D1.

Trinn 3: Design av antennen

Piezo -elementer må limes på metallplater med epoksy. Det vil senke resonansfrekvensen til det piezoelektriske elementet (ettersom den uopphengt masse legges til).

Ved å være limt på den ene siden til en stiv metallplate, vil ikke det piezoelektriske elementet kunne trekke seg sammen og strekke seg, og det må bøyes. Det er det vi trenger.

• Vi kuttet to firkantede plater 50 x 50 mm og boret hull for kabelen (3 mm i diameter) og to hull for å feste kabelen med en tynn nylontråd, det viste seg som på bildet
• Antenner fikk to stykker på 3 meter fra den kjøpte 10 meter lange kabelen, resten ble liggende i reserve
• Vi vikler kabelen inn i hullet, lodder den sentrale kjernen til metalliseringslaget i det piezoelektriske elementet, og skjermen til metallbasen. Parallelt, som avtalt, lodder vi en motstand på 470 kΩ.
• Vi rengjør den andre enden av kabelen og monterer kontakten: lodd den sentrale kjernen til den sentrale kontakten (selve spissen av kontakten), la den midterste være intakt og lodd kontaktdelen til kabelkappen.

Jeg glemmer alltid å sette kontaktdelen på kabelen, og jeg må lodde alt to ganger. Ikke gjenta min feil).

Etter lodding er det veldig viktig å rengjøre fluksen - spesielt på det piezoelektriske elementet. Ellers vil fluksen over tid spise loddetinnet.

Så vi har forberedt to antenner (en av dem har en terskelbegrensning). Nå er det på tide å elte epoksyen og bruke latexhansker.

Trinn 4: Liming

Før de piezoelektriske elementene limes til kobberplatene, bør begge slipes grundig og avfettes med alkohol (etyl eller isopropyl) eller aceton.

Ikke bruk noe annet! Bensin eller parafin etterlater fettete spor som svekker vedheftet.

Det er verdt å huske at alt arbeid med alkoholer, aceton og epoksy bør utføres i et godt ventilert rom med hender og øyne beskyttet. Ikke forsøm sikkerhetsreglene!

Vi metter nylontråden som holder kabelen til platen. For å lime det piezoelektriske elementet på platen, bruk bare litt epoxylim. Ikke overdriv! Epoksyen skal ikke komme til toppen, ellers kan den ødelegge et tynt lag med piezoceramikk under polymerisering, pluss at epoksyen forverres i vann.

Resultatet skal være omtrent som på bildene. Vanligvis polymeriserer epoksy fullstendig innen 24 timer. Vi forlot for eksempel antennene våre til neste dag.

Trinn 5: Vanntetting

Da vi ankom laboratoriet om morgenen, koblet vi den første antennen (uten terskelbegrensning) til hodetelefonkontakten på den bærbare datamaskinen. Hvis du slår på musikken og tar antennen til øret, kan du sørge for at det i det minste det hørbare frekvensområdet gjengir ganske bra. Det er til og med et snev av bass, resultatet av kobberbasen.

Så nå har vi en akustisk senderantenne, men fortsatt ikke en hydroakustisk antenne. For å fikse dette, bør vi avfette antennen igjen og dekke den til et tynt lag med tetningsmasse.

Viktig merknad: Ikke bruk den acetatholdige sanitærforseglingen! Eddiksyren i den vil korrodere loddeskjøtene, kabelen og metalliseringen av det piezoelektriske elementet.

Vi anbefaler Kim Tek flytende gummi til båter og yachter. DIY-er fra USA kan bruke de utmerkede polyuretanforbindelsene fra Smooth-On-selskapet i stedet for tetningsmasse.

For enkelhets skyld fyller vi først den medisinske engangssprøyten med tetningsmasse, og påfører den deretter på det piezoelektriske elementet og loddeskjøtene.

Etter påføring av tetningsmasse utjevner vi det med en tannspatel eller med det som er praktisk (selv med en finger). Til slutt fikk vi det som på bildet.

Du bør ikke lage et lag tetningsmasse for tykt - antennen mister følsomheten. Et lag på 1 mm er absolutt tilstrekkelig. Beskytt loddetinn, motstander og dioder forsiktig med tetningsmasse.

Du kan dekke baksiden av platen med et tetningsmiddel - vi gjorde det på en antenne.

Hvis du flytter motstandene og dioder nærmere kabelen, vil det piezoelektriske elementet være mye mer praktisk å smøre med tetningsmasse, og laget blir jevnere.

Etter at denne typen skulptørarbeid er fullført, forlater vi igjen antennene i 24 timer ….

Og gratulerer! Nå har du to hydrofoner!

Trinn 6: Post Scriptum

Nå kan du sjekke hvor gode nybyggede antenner er ved å koble den direkte til den bærbare datamaskinen, nettbrettet eller telefonen.

Dessverre er ikke alle enheter vennlige for undervannsakustikk. Mest av alle moderne lydkort har lavpass-filtre i mikrofoninngang, og kutter alt over 15 kHz. Men noen av de bærbare datamaskinene har ikke slike filtre.

Disse hydrofonene og transduserne som vi har bygget er bare en begynnelse: vi planlegger å publisere en serie instrukser om undervannsakustisk kommunikasjon og navigasjon, vennligst gi oss beskjed hvis du er interessert!