Евтин хидрофон и ултразвуков преобразувател: 6 стъпки

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последно модифициран: 2024-01-30 07:53

Искате ли да запишете делфини или китове да говорят? Или изграждане на подводна акустична комуникационна система? Добре, ще ви научим „как да“.

Нека започнем с основното: антената. Ако в ежедневието използваме високоговорители (например във вашия лаптоп или автомобил) за излъчване на звук и микрофон за запис на звук, тогава бързам да ви зарадвам: звукът, предаващ под вода (казваме „радиация“) и звукозаписът често се извършват от същото устройство, което се нарича подводна акустична (хидроакустична) антена, или хидрофон (ако е само приемно устройство), или преобразувател, ако работи в двете посоки.

В по -голямата част от случаите хидроакустичната антена се състои от един или няколко пиезоелектрични елемента: плочи, дискове, пръстени, тръби, сфери, полукълба и др.

Пиезоелементите имат така наречения пиезоелектричен ефект. Ако към даден елемент се приложи променлив електрически сигнал, елементът започва да се колебае, а ако елементът се колебае например от акустична вълна, тогава върху него започва да се генерира променлив електрически сигнал.

Следователно пиезоелектричният елемент преобразува електрически сигнал в акустични вълни (механични вибрации) и обратно - акустични вълни в електрически сигнал.

Както се казва: теорията без практика е мъртва! Нека не губим време и да направим чифт хидроакустични антени.

Стъпка 1: Сметка на материалите

Материали, от които се нуждаем:

• чифт пиезо зумери Ф35 мм (купихме 10 броя за $ 1,5 на Aliexpress)
• 10-метрово парче кабел RG-174
• два жака 3.5 мм стерео конектори
• медна / месингова / неръждаема плоча с ширина 50x100 mm с дебелина 1-2 mm
• епоксидно лепило
• силиконов уплътнител (без оцет)
• спойка и поток
• алкохол за обезмасляване
• всеки два резистора с номинални стойности ~ 100Ω и 470-1000 kΩ (взехме 0,25 W MF25)
• два диода 1N4934
• найлонова нишка

Инструменти:

• свредло и свредла Ф3 мм и 2,5 мм (за пробиване на медна плоча)
• ножовка или дремел (за изрязване на медна плоча)
• шкурка 200-600 песъчинки (за почистване на медна плоча)
• нож, резачки за тел (за сваляне на проводници)
• станция за поялник или печатна платка
• зъбна шпатула за изравняване на уплътнител

Стъпка 2: Много лесна верига

Просто не е добра идея директно да свържете пиезо елемент към звукова карта, лаптоп или таблет.

Първо, пиезоелектрическият елемент може да натрупа достатъчно голям заряд, който може да повреди електрониката, когато е свързан.

Второ, когато сте свързани към линеен или микрофонов вход на звукова карта, трябва да защитите входната каскада на звуковата карта.

За да се предотврати несвързаната антена да натрупва заряд, паралелно с нея поставяме резистор от 0,5-1 MΩ (R1).

В приемната антена за ограничаване на максималното напрежение можете да сглобите най -простия ограничител на прага от диодите D1, D2 и резистора 100Ω (R2). Като диоди използвахме 1N4934 и като резистори R1, R2 взехме MF25 (R1 470 kOhm).

Моля, обърнете внимание, че ако планирате да свържете приемната антена към входа на микрофона (а не към линията една), тогава допълнително ще ви е необходим кондензатор C1 с номинален 0,1.. 1 uF, в противен случай захранването, подадено от звуковата карта към електретен микрофон ще се получи късо съединение през диода D1.

Стъпка 3: Проектиране на антената

Самите пиезо елементи трябва да бъдат залепени към метални плочи с епоксидна смола. Това ще намали резонансната честота на пиезоелектричния елемент (като се добави суспендираната маса).

Също така, като е залепен от едната страна към твърда метална плоча, пиезоелектричният елемент няма да може да се свива и разтяга и ще трябва да се огъне. Това е, от което се нуждаем.

• Изрязахме две квадратни плочи 50 х 50 мм и пробихме отвори за кабела (с диаметър 3 мм) и два отвора за закрепване на кабела с тънка найлонова нишка, оказа се като на снимката
• Антените получиха две парчета по 3 метра от закупения 10-метров кабел, останалите бяха оставени в резерв
• Навиваме кабела в отвора, запояваме централната му сърцевина към слоя метализация на пиезоелектричния елемент и екрана към металната му основа. Успоредно, както е уговорено, запояваме резистор от 470 kΩ.
• Почистваме другия край на кабела и сглобяваме конектора: запояваме централното ядро към централния контакт (самият връх на конектора), оставяме средния непокътнат и запояваме тялото на съединителя към кабелната обвивка.

Винаги забравям да сложа тялото на конектора върху кабела и трябва да презапоя всичко два пъти. Не повтаряйте грешката ми).

След запояване е много важно да се почисти флюсът - особено върху пиезоелектрическия елемент. В противен случай с течение на времето потокът ще изяде запояването.

И така, подготвихме две антени (едната от тях има ограничител на прага). Сега е моментът да замесите епоксидната смола и да носите латексови ръкавици.

Стъпка 4: Лепене

Преди да залепите пиезоелектричните елементи към медните плочи, и двете трябва да бъдат добре шлифовани и обезмаслени със спирт (етилов или изопропилов) или ацетон.

Не използвайте нищо друго! Бензинът или керосинът оставят мазни следи, които влошават адхезията.

Струва си да припомним, че всички работи с алкохоли, ацетон и епоксидна смола трябва да се извършват в добре проветриво помещение със защитени ръце и очи. Не пренебрегвайте правилата за безопасност!

Ние насищаме найлоновата нишка, която държи кабела към плочата. За залепване на пиезоелектричния елемент към плочата използвайте само малко епоксидно лепило. Не прекалявайте! Епоксидната смола не трябва да стига до върха, в противен случай тя може да разруши тънък слой пиезокерамика по време на полимеризацията, плюс епоксидната смола се разваля във вода.

Резултатът трябва да е нещо като на снимките. Обикновено епоксидът напълно полимеризира в рамките на 24 часа. Ние например оставихме антените си до следващия ден.

Стъпка 5: Хидроизолация

Когато пристигнахме сутринта в лабораторията, свързахме първата антена (без ограничител на прага) към жака за слушалки на лаптопа. Ако включите музиката и донесете антената до ухото си, можете да се уверите, че поне звуковият честотен диапазон се възпроизвежда доста добре. Има дори намек за бас, резултат от медната основа.

Така че сега имаме акустична предаваща антена, но все още не хидроакустична. За да поправим това, трябва отново да обезмаслим антената и да я покрием с тънък слой уплътнител.

Важна забележка: Не използвайте санитарен уплътнител, съдържащ ацетат! Оцетната киселина, съдържаща се в него, ще корозира спойките, кабела и метализацията на пиезоелектричния елемент.

Препоръчваме Kim Tek течен каучук за лодки и яхти. „Направи си сам“от САЩ може да използва отличните полиуретанови съединения от компанията Smooth-On вместо уплътнител.

За наше удобство първо напълваме медицинската спринцовка за еднократна употреба с уплътнител и след това я нанасяме върху пиезоелектричния елемент и спойките.

След нанасяне на уплътнителя го изравняваме със зъбна шпатула или с каквото е удобно (дори с пръст). В крайна сметка го получихме като на снимката.

Не трябва да правите слой уплътнител твърде дебел - антената ще загуби чувствителност. Слой от 1 мм е напълно достатъчен. Внимателно защитете спойките, резисторите и диодите с уплътнител.

Можете да покриете задната страна на плочата с уплътнител - направихме го на една антена.

Ако преместите резисторите и диодите по -близо до кабела, тогава пиезоелектрическият елемент ще бъде много по -удобен за намазване с уплътнител и слоят ще бъде по -гладък.

След приключването на този вид скулпторска работа, отново оставяме антените за 24 часа….

И честито! Сега имате два хидрофона!

Стъпка 6: Post Scriptum

Сега можете да проверите колко добри са новоизградените антени, като ги свържете директно към вашия лаптоп, таблет или телефон.

За съжаление, не всички устройства са приятелски настроени към подводната акустика. Повечето от всички съвременни звукови карти имат нискочестотни филтри във входа за микрофон, изрязващи всичко над 15 kHz. Но някои от лаптопите нямат такива филтри.

Тези хидрофони и преобразуватели, които създадохме, са само начало: планираме да публикуваме поредица от инструкции за подводна акустична комуникация и навигация, моля, уведомете ни, ако се интересувате!