Недорогой гидрофон и ультразвуковой преобразователь: 6 шагов

2024 Автор: John Day | [email protected]. Последнее изменение: 2024-01-30 11:52

Вы хотите записать, как говорят дельфины или киты? Или построить подводную акустическую систему связи? Хорошо, мы научим вас "как".

Начнем с главного: антенны. Если в повседневной жизни мы используем динамики (например, в вашем ноутбуке или машине) для излучения звука и микрофон для записи звука, то спешу вас обрадовать: передача звука под водой (мы говорим «излучение») и запись звука часто выполняются то же устройство, которое называется подводной акустической (гидроакустической) антенной, или гидрофоном (если это принимающее устройство), или преобразователем, если оно работает в обоих направлениях.

В подавляющем большинстве случаев гидроакустическая антенна состоит из одного или нескольких пьезоэлементов: пластин, дисков, колец, трубок, сфер, полусфер и т. Д.

Пьезоэлементы обладают так называемым пьезоэлектрическим эффектом. Если на элемент подается переменный электрический сигнал, элемент начинает колебаться, а если элемент колеблется, например, акустической волной, то на нем начинает генерироваться переменный электрический сигнал.

Таким образом, пьезоэлектрический элемент преобразует электрический сигнал в акустические волны (механические колебания) и наоборот - акустические волны в электрический сигнал.

Как говорится: теория без практики мертва! Не будем терять время и сделаем пару гидроакустических антенн.

Шаг 1. Спецификация материалов

Материалы, которые нам понадобятся:

• пара пьезозуммеров Ф35мм (покупали 10 штук за 1,5 доллара на Алиэкспресс)
• отрезок кабеля RG-174 длиной 10 метров
• два стереоразъема jack 3.5 мм
• плита медь / латунь / нержавеющая 50х100 мм шириной 1-2 мм толщиной
• эпоксидный клей
• силиконовый герметик (неуксусный)
• припой и флюс
• спирт для обезжиривания
• любые два резистора номиналом ~ 100 Ом и 470-1000 кОм (мы взяли 0,25 Вт MF25)
• два диода 1N4934
• нейлоновая нить

Инструменты:

• дрель и сверла Ф3мм и 2,5 мм (для сверления медной пластины)
• ножовка или дремель (для резки медной пластины)
• наждачная бумага зернистостью 200-600 (для очистки медной пластины)
• нож, кусачки (для зачистки проводов)
• паяльник или паяльная станция для печатных плат
• стоматологический шпатель для выравнивания герметика

Шаг 2: очень простая схема

Просто не рекомендуется подключать пьезоэлемент напрямую к звуковой карте, ноутбуку или планшету.

Во-первых, пьезоэлемент может накапливать достаточно большой заряд, который может повредить электронику при подключении.

Во-вторых, при подключении к линейному или микрофонному входу звуковой карты необходимо защитить входной каскад звуковой карты.

Чтобы в неподключенной антенне накапливался заряд, параллельно ей ставим резистор на 0,5-1 МОм (R1).

В приемной антенне для ограничения максимального напряжения можно собрать простейший ограничитель порога из диодов D1, D2 и резистора 100 Ом (R2). В качестве диодов мы использовали 1N4934, а в качестве резисторов R1, R2 - MF25 (R1 470 кОм).

Обращаем ваше внимание, что если вы планируете подключать приемную антенну к микрофонному входу (а не к линейному), то дополнительно потребуется конденсатор С1 номиналом 0,1.. 1 мкФ, иначе - питание от звуковой карты. к электретному микрофону замкнут накоротко через диод D1.

Шаг 3: Дизайн антенны

Сами пьезоэлементы нужно приклеить к металлическим пластинам эпоксидной смолой. Это снизит резонансную частоту пьезоэлемента (по мере добавления неподвешенной массы).

Также, будучи приклеенным одной стороной к жесткой металлической пластине, пьезоэлемент не сможет сжиматься и растягиваться, и его придется изгибать. Это то, что нам нужно.

• Вырезаем две квадратные пластины 50 х 50 мм и просверливаем отверстия для кабеля (диаметром 3 мм) и два отверстия для крепления кабеля тонкой нейлоновой нитью, получилось как на фото
• Антенны достали два отрезка по 3 метра от купленного 10-метрового отрезка кабеля, остальное оставили в резерве.
• Намотываем кабель в отверстие, припаиваем его центральную жилу к слою металлизации пьезоэлемента, а экран к его металлической основе. Параллельно по договорённости припаиваем резистор 470 кОм.
• Другой конец кабеля зачищаем и собираем разъем: припаиваем центральную жилу к центральному контакту (самому кончику разъема), средний оставляем нетронутым, а корпус разъема припаиваем к оболочке кабеля.

Я всегда забываю надеть корпус разъема на кабель и мне приходится все перепаять два раза. Не повторяйте мою ошибку).

После пайки очень важно очистить флюс, особенно на пьезоэлементе. Иначе со временем флюс съест пайку.

Итак, мы подготовили две антенны (одна из них имеет пороговый ограничитель). Теперь пора замесить эпоксидную смолу и надеть латексные перчатки.

Шаг 4: приклеивание

Перед приклеиванием пьезоэлементов к медным пластинам их следует тщательно отшлифовать и обезжирить спиртом (этиловым или изопропиловым) или ацетоном.

Больше ничего не используйте! Бензин или керосин оставляют жирные следы, ухудшающие адгезию.

Стоит напомнить, что все работы со спиртами, ацетоном и эпоксидной смолой следует проводить в хорошо проветриваемом помещении, защищая руки и глаза. Не пренебрегайте правилами безопасности!

Пропитываем нейлоновую нить, которой кабель крепится к пластине. Для приклеивания пьезоэлемента к пластине используйте немного эпоксидного клея. Не переусердствуйте! Эпоксидная смола не должна доходить до верха, иначе она может разрушить тонкий слой пьезокерамики во время полимеризации, плюс эпоксидная смола портится в воде.

Результат должен быть примерно таким, как на фотографиях. Обычно эпоксидная смола полностью полимеризуется в течение 24 часов. Мы, например, оставили свои антенны на следующий день.

Шаг 5: Гидроизоляция

Прибыв утром в лабораторию, мы подключили первую антенну (без ограничителя порога) к разъему для наушников ноутбука. Если включить музыку и поднести антенну к уху, можно убедиться, что по крайней мере диапазон слышимых частот она воспроизводит достаточно хорошо. Есть даже намек на басы, результат медной основы.

Итак, теперь у нас есть акустическая передающая антенна, но все еще не гидроакустическая. Чтобы это исправить, нужно еще раз обезжирить антенну и покрыть ее тонким слоем герметика.

Важное примечание: не используйте санитарный герметик, содержащий ацетат! Содержащаяся в нем уксусная кислота разъедает паяные соединения, кабель и металлизацию пьезоэлемента.

Мы рекомендуем жидкую резину Kim Tek для лодок и яхт. Домашние мастера из США могут использовать вместо герметика отличные полиуретановые компаунды от компании Smooth-On.

Медицинский одноразовый шприц для удобства заполняем сначала герметиком, а затем наносим его на пьезоэлемент и паяные соединения.

После нанесения герметика выравниваем зубным шпателем или чем удобно (хоть пальцем). В итоге у нас получилось как на картинке.

Не стоит делать слой герметика слишком толстым - антенна потеряет чувствительность. Слой в 1 мм вполне достаточно. Тщательно защитите паяные соединения, резисторы и диоды герметиком.

Заднюю сторону пластины можно покрыть герметиком - мы это делали на одной антенне.

Если пододвинуть резисторы и диоды ближе к кабелю, то пьезоэлемент будет намного удобнее мазать герметиком и слой будет более гладким.

После завершения работы скульптора мы снова оставляем антенны на 24 часа….

И поздравляю! Теперь у вас есть два гидрофона!

Шаг 6: Post Scriptum

Теперь вы можете проверить, насколько хороши новые антенны, подключив их напрямую к ноутбуку, планшету или телефону.

К сожалению, не все устройства дружелюбны к подводной акустике. Большинство современных звуковых карт имеют на микрофонном входе фильтры нижних частот, отсекающие все, что выше 15 кГц. Но на некоторых ноутбуках таких фильтров нет.

Созданные нами гидрофон и преобразователь - это только начало: мы планируем опубликовать серию инструкций по подводной акустической коммуникации и навигации. Сообщите нам, если вы заинтересованы!