Billig hydrofon och ultraljudsgivare: 6 steg

2024 Författare: John Day | [email protected]. Senast ändrad: 2024-01-30 12:45

Vill du spela in delfiner eller valar som talar? Eller bygga ett undervattensakustiskt kommunikationssystem? Ok, vi ska lära dig hur man gör.

Låt oss börja med det viktigaste: antenn. Om vi i vardagen använder högtalare (som i din bärbara dator eller bil) för ljudutsläpp och en mikrofon för ljudinspelning, skyndar jag mig att göra dig glad: ljudöverföring under vattnet (vi säger "strålning") och ljudinspelning utförs ofta av samma enhet, som kallas en undervattensakustisk (hydroakustisk) antenn, eller hydrofon (om det är en mottagningsanordning), eller givare om den fungerar åt båda hållen.

I den överväldigande majoriteten av fallen består en hydroakustisk antenn av ett eller flera piezoelektriska element: plattor, skivor, ringar, rör, sfärer, halvklot, etc.

Piezo-element har den så kallade piezoelektriska effekten. Om en växlande elektrisk signal appliceras på ett element, börjar elementet att oscillera, och om elementet oscillerar, till exempel av en akustisk våg, börjar en alternerande elektrisk signal att genereras på den.

Därför omvandlar det piezoelektriska elementet en elektrisk signal till akustiska vågor (mekaniska vibrationer) och vice versa - akustiska vågor till en elektrisk signal.

Som man säger: teori utan övning är död! Låt oss inte slösa tid och göra ett par hydroakustiska antenner.

Steg 1: Materialförteckning

Material som vi behöver:

• ett par piezo -summer Ф35mm (vi köpte 10 stycken för $ 1,5 på Aliexpress)
• en 10 meter lång RG-174-kabel
• två jack 3,5 mm stereokontakter
• koppar / mässing / rostfri platta 50x100 mm bred 1-2 mm tjock
• epoxilim
• silikontätningsmedel (icke-ättiksyra)
• lödning och flussmedel
• alkohol för avfettning
• två motstånd med nominella värden ~ 100Ω och 470-1000 kΩ (vi tog 0,25 W MF25)
• två dioder 1N4934
• nylontråd

Instrument:

• borr och borrar Ф3mm och 2,5 mm (för att borra kopparplatta)
• hacksåg eller dremel (för att skära en kopparplatta)
• sandpapper 200-600 korn (för att rengöra kopparplatta)
• kniv, trådskärare (för avdragning av trådar)
• lödkolv eller PCB -omarbetningsstation
• tandspatel för utjämning av tätningsmedel

Steg 2: Mycket enkel krets

Det är bara ingen bra idé att ansluta ett piezo -element till ett ljudkort, bärbar dator eller surfplatta direkt.

För det första kan det piezoelektriska elementet ackumulera en tillräckligt stor laddning som kan skada elektroniken när den är ansluten.

För det andra, när du är ansluten till en linje- eller mikrofoningång på ett ljudkort, måste du skydda ljudkortets ingångskaskad.

För att förhindra att den icke anslutna antennen ackumuleras laddar vi parallellt med ett motstånd på 0,5-1 MΩ (R1).

I den mottagande antennen för att begränsa den maximala spänningen kan du montera den enklaste tröskelbegränsaren från dioderna D1, D2 och motståndet 100Ω (R2). Som dioder använde vi 1N4934 och som motstånd R1, R2 tog vi MF25 (R1 470 kOhm).

Observera att om du planerar att ansluta den mottagande antennen till mikrofoningången (och inte till den första), behöver du dessutom en kondensator C1 med en nominell 0,1.. 1 uF, annars kommer strömmen från ljudkortet till elektretmikrofonen kommer att kortslutas genom dioden D1.

Steg 3: Design av antennen

Piezo -element själva måste limmas på metallplattor med epoxi. Det kommer att sänka resonansfrekvensen för det piezoelektriska elementet (när den oupphängda massan läggs till).

Om den piezoelektriska elementet är limmat på en styv metallplatta med ena sidan kommer det inte att kunna dra ihop sig och töjas och det måste böjas. Det är vad vi behöver.

• Vi skär två fyrkantiga plattor 50 x 50 mm och borrade hål för kabeln (3 mm i diameter) och två hål för att fästa kabeln med en tunn nylontråd, det blev som på bilden
• Antenner fick två stycken på 3 meter från den köpta kabeln på 10 meter, resten lämnades i reserv
• Vi lindar kabeln i hålet, lödar dess centrala kärna till metalliseringsskiktet på det piezoelektriska elementet och skärmen till dess metallbas. Parallellt, enligt överenskommelse, lödder vi ett motstånd på 470 kΩ.
• Vi rengör den andra änden av kabeln och monterar kontakten: löd den centrala kärnan till den centrala kontakten (själva spetsen på kontakten), lämna den mellersta intakt och löd kontaktdonet på kabelhöljet.

Jag glömmer alltid att sätta kontaktdonet på kabeln och jag måste löda om allt två gånger. Upprepa inte mitt misstag).

Efter lödning är det mycket viktigt att rengöra flödet - särskilt på det piezoelektriska elementet. Annars kommer flödet med tiden att äta lödningen.

Så vi har förberett två antenner (en av dem har en tröskelbegränsare). Nu är det dags att knåda epoxyn och bära latexhandskar.

Steg 4: Limning

Innan de piezoelektriska elementen limmas på kopparplattorna ska båda slipas noggrant och avfettas med alkohol (etyl eller isopropyl) eller aceton.

Använd inget annat! Bensin eller fotogen lämnar fet spår som försämrar vidhäftningen.

Det är värt att påminna om att allt arbete med alkoholer, aceton och epoxi bör utföras i ett välventilerat rum med händer och ögon skyddade. Försumma inte säkerhetsreglerna!

Vi mättar nylontråden som håller kabeln till plattan. Använd bara lite epoxilim för att limma det piezoelektriska elementet på plattan. Överdriv inte! Epoxin ska inte nå toppen, annars kan den förstöra ett tunt lager av piezoceramik under polymerisation, plus att epoxin försämras i vatten.

Resultatet ska bli ungefär som på fotona. Vanligtvis polymeriserar epoxi helt inom 24 timmar. Vi lämnade till exempel våra antenner till nästa dag.

Steg 5: Vattentätning

När vi anlände till laboratoriet på morgonen kopplade vi den första antennen (utan tröskelbegränsare) till hörlursuttaget på den bärbara datorn. Om du slår på musiken och tar antennen till ditt öra kan du se till att åtminstone det hörbara frekvensområdet återger det ganska bra. Det finns till och med en antydan till bas, resultatet av kopparbasen.

Så nu har vi en akustisk sändarantenn, men fortfarande inte en hydroakustisk. För att åtgärda detta bör vi avfetta antennen igen och täcka den i ett tunt lager av tätningsmedel.

Viktig anmärkning: Använd inte det acetathaltiga sanitära tätningsmedlet! Den ättiksyra som finns i den kommer att korrodera lödfogarna, kabeln och metalliseringen av det piezoelektriska elementet.

Vi rekommenderar Kim Tek flytande gummi för båtar och yachter. DIY-ers från USA kan använda de utmärkta polyuretanföreningarna från Smooth-On-företaget istället för tätningsmedel.

För vår bekvämlighet fyller vi först den medicinska engångssprutan med tätningsmedel och applicerar den sedan på det piezoelektriska elementet och lödfogarna.

Efter applicering av tätningsmedlet jämnar vi ut det med en tandspatel eller med vad det är bekvämt (även med ett finger). Till slut fick vi det som på bilden.

Du bör inte göra ett lager tätningsmedel för tjockt - antennen tappar känsligheten. Ett lager på 1 mm är absolut tillräckligt. Skydda försiktigt lödfogar, motstånd och dioder med tätningsmedel.

Du kan täcka baksidan av plattan med ett tätningsmedel - vi gjorde det på en antenn.

Om du flyttar motstånden och dioderna närmare kabeln, blir det piezoelektriska elementet mycket bekvämare att smeta ut med tätningsmedel och skiktet blir mjukare.

Efter slutförandet av denna typ av skulptörsarbete lämnar vi igen antennerna i 24 timmar ….

Och grattis! Nu har du två hydrofoner!

Steg 6: Post Scriptum

Nu kan du kontrollera hur bra nybyggda antenner är genom att ansluta den direkt till din bärbara dator, surfplatta eller telefon.

Tyvärr är inte alla enheter vänliga för undervattensakustik. De flesta av alla moderna ljudkort har lågpassfilter i mikrofoningång, vilket skär allt över 15 kHz. Men vissa av de bärbara datorerna har inte sådana filter.

Dessa hydrofoner och givare som vi har byggt är bara en början: vi planerar att publicera en serie instruktioner om undervattensakustisk kommunikation och navigering, meddela oss om du är intresserad!