Lavpris-hydrofon og ultralydstransducer: 6 trin

2024 Forfatter: John Day | [email protected]. Sidst ændret: 2024-01-30 08:28

Vil du registrere delfiner eller hvaler, der taler? Eller bygge et undervandsakustisk kommunikationssystem? Ok, vi skal lære dig 'hvordan'.

Lad os starte med det vigtigste: antenne. Hvis vi i hverdagen bruger højttalere (f.eks. I din bærbare computer eller bil) til lydemission og en mikrofon til lydoptagelse, så skynder jeg mig at glæde dig: lydoverførsel under vandet (vi siger "stråling") og lydoptagelse udføres ofte af den samme enhed, som kaldes en undervandsakustisk (hydroakustisk) antenne, eller hydrofon (hvis den er en modtager), eller transducer, hvis den fungerer begge veje.

I det overvældende flertal af tilfælde består en hydroakustisk antenne af et eller flere piezoelektriske elementer: plader, diske, ringe, rør, kugler, halvkugler osv.

Piezo-elementer har den såkaldte piezoelektriske effekt. Hvis der sendes et vekslende elektrisk signal til et element, begynder elementet at oscillere, og hvis elementet f.eks. Svinger af en akustisk bølge, begynder et alternerende elektrisk signal at blive genereret på det.

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

Som man siger: teori uden praksis er død! Lad os ikke spilde tid og lave et par hydroakustiske antenner.

Trin 1: Stykliste

Materialer, vi har brug for:

• et par piezo -summer Ф35mm (vi købte 10 stykker for $ 1,5 på Aliexpress)
• et 10 meter stykke RG-174 kabel
• to jack 3,5 mm stereo stik
• kobber / messing / rustfri plade 50x100 mm bred 1-2 mm tyk
• epoxylim
• silikoneforsegling (ikke-eddikesyre)
• lodning og flux
• alkohol til affedtning
• to modstande med nominelle værdier ~ 100Ω og 470-1000 kΩ (vi tog 0,25 W MF25)
• to dioder 1N4934
• nylontråd

Instrumenter:

• bor og bor Ф3 mm og 2,5 mm (til at bore kobberplade)
• hacksav eller dremel (for at skære en kobberplade)
• sandpapir 200-600 grus (til rengøring af kobberplade)
• kniv, trådskærere (til afisolering af ledninger)
• loddejern eller PCB -omarbejdningsstation
• tandspatel til udjævning af fugemasse

Trin 2: Meget let kredsløb

Det er bare ikke en god idé at forbinde et piezo -element til et lydkort, en bærbar eller tablet direkte.

For det første kan det piezoelektriske element akkumulere en tilstrækkelig stor ladning, der kan beskadige elektronikken, når den er tilsluttet.

For det andet, når du er tilsluttet en linje- eller mikrofonindgang på et lydkort, skal du beskytte lydkortets inputkaskade.

For at forhindre den ikke-tilsluttede antenne i at akkumulere ladning, satte vi en modstand på 0,5-1 MΩ (R1) parallelt med den.

I modtageantennen for at begrænse den maksimale spænding kan du samle den enkleste tærskelbegrænser fra dioderne D1, D2 og modstanden 100Ω (R2). Som dioder brugte vi 1N4934 og som modstande R1, R2 tog vi MF25 (R1 470 kOhm).

Bemærk, at hvis du planlægger at tilslutte den modtagende antenne til mikrofonindgangen (og ikke til den første linje), skal du desuden bruge en kondensator C1 med en nominel 0,1.. 1 uF, ellers vil strømmen leveres af lydkortet til elektretmikrofonen vil blive kortsluttet gennem dioden D1.

Trin 3: Design af antennen

Piezo -elementer skal selv limes til metalplader med epoxy. Det vil sænke resonansfrekvensen for det piezoelektriske element (når den uophængte masse tilføjes).

Ved at blive limet af den ene side til en stiv metalplade vil det piezoelektriske element ikke kunne trække sig sammen og strække sig, og det bliver nødt til at bøje. Det er det, vi har brug for.

• Vi skar to firkantede plader 50 x 50 mm og borede huller til kablet (3 mm i diameter) og to huller til fastgørelse af kablet med en tynd nylontråd, det viste sig som på billedet
• Antenner fik to stykker på 3 meter fra det købte 10 meter lange kabel, resten blev efterladt i reserve
• Vi snor kablet ind i hullet, lodder dets centrale kerne til metalliseringslaget i det piezoelektriske element og skærmen til dets metalbase. Parallelt, som aftalt, lodder vi en modstand på 470 kΩ.
• Vi renser den anden ende af kablet og samler stikket: lod den midterste kerne til den centrale kontakt (selve spidsen af stikket), lad den midterste forblive intakt, og lod forbindelsesdelen til kabelkappen.

Jeg glemmer altid at sætte stikhuset på kablet, og jeg skal genlodde alt to gange. Gentag ikke min fejl).

Efter lodning er det meget vigtigt at rense fluxen - især på det piezoelektriske element. Ellers vil fluxen over tid æde lodningen.

Så vi har forberedt to antenner (en af dem har en tærskelbegrænser). Nu er det tid til at ælte epoxyen og bære latexhandsker.

Trin 4: Limning

Inden limning af de piezoelektriske elementer til kobberpladerne skal begge slibes grundigt og affedtes med alkohol (ethyl eller isopropyl) eller acetone.

Brug ikke andet! Benzin eller petroleum efterlader fedtede spor, der forringer vedhæftning.

Det er værd at huske på, at alt arbejde med alkoholer, acetone og epoxy skal udføres i et godt ventileret rum med dine hænder og øjne beskyttet. Forsøm ikke sikkerhedsreglerne!

Vi mætter nylontråden, der holder kablet til pladen. Brug kun en smule epoxylim til limning af det piezoelektriske element på pladen. Overdriv det ikke! Epoxyen bør ikke nå toppen, ellers kan den ødelægge et tyndt lag piezoceramics under polymerisation, plus epoxyen forringes i vand.

Resultatet skal være noget som på billederne. Normalt polymeriserer epoxy fuldstændigt inden for 24 timer. Vi forlod f.eks. Vores antenner til den næste dag.

Trin 5: Vandtætning

Da vi ankom til laboratoriet om morgenen, sluttede vi den første antenne (uden tærskelbegrænser) til hovedtelefonstikket på den bærbare computer. Hvis du tænder for musikken og bringer antennen til øret, kan du sikre dig, at det i det mindste det hørbare frekvensområde gengiver det ganske godt. Der er endda et strejf af bas, resultatet af kobberbasen.

Så nu har vi en akustisk transmitterende antenne, men stadig ikke en hydroakustisk. For at løse dette skal vi affedte antennen igen og dække den i et tyndt lag tætningsmiddel.

Vigtig bemærkning: Brug ikke det acetatholdige sanitære fugemasse! Eddikesyren, der er indeholdt i den, vil korrodere loddefugerne, kablet og metalliseringen af det piezoelektriske element.

Vi anbefaler Kim Tek flydende gummi til både og lystbåde. DIY-er fra USA kan bruge de fremragende polyurethanforbindelser fra Smooth-On-virksomheden i stedet for fugemasse.

For nemheds skyld fylder vi først den medicinske engangssprøjte med fugemasse og anvender den derefter på det piezoelektriske element og loddeled.

Efter påføring af fugemasse udjævner vi det med en tandspatel eller med det, der er bekvemt (selv med en finger). Til sidst fik vi det som på billedet.

Du bør ikke lave et lag tætningsmiddel for tykt - antennen mister følsomheden. Et lag på 1 mm er absolut tilstrækkeligt. Beskyt forsigtigt loddeforbindelser, modstande og dioder med tætningsmiddel.

Du kan dække bagsiden af pladen med et tætningsmiddel - vi gjorde det på en antenne.

Hvis du flytter modstande og dioder tættere på kablet, vil det piezoelektriske element være meget mere bekvemt at smøre med tætningsmiddel, og laget vil være glattere.

Efter afslutningen af denne form for billedhuggerarbejde forlader vi igen antennerne i 24 timer….

Og tillykke! Nu har du to hydrofoner!

Trin 6: Post Scriptum

Nu kan du kontrollere, hvor gode nybyggede antenner er ved at forbinde den direkte til din bærbare computer, tablet eller telefon.

Desværre er ikke alle enheder venlige over for en undervandsakustik. Mest af alt moderne lydkort har lavpasfiltre i mikrofonindgang, der skærer alt over 15 kHz. Men nogle af de bærbare computere har ikke sådanne filtre.

Disse hydrofoner og transducere, som vi har bygget, er kun en begyndelse: vi planlægger at udgive en række instruktioner om undervandsakustisk kommunikation og navigation, lad os vide det, hvis du er interesseret!