Kostengünstiges Hydrophon und Ultraschallwandler - Gunook

2024 Autor: John Day | [email protected]. Zuletzt bearbeitet: 2024-01-30 07:19

Möchten Sie Delfine oder Wale beim Sprechen aufnehmen? Oder ein akustisches Unterwasserkommunikationssystem bauen? Ok, wir werden Ihnen beibringen, wie es geht.

Fangen wir mit der Hauptsache an: Antenne. Wenn wir im Alltag Lautsprecher (z. B. in Ihrem Laptop oder Auto) zur Schallabgabe und ein Mikrofon zur Tonaufnahme verwenden, dann beeile ich mich, Ihnen zu gefallen: Schallübertragung unter Wasser (wir sagen „Strahlung“) und Tonaufnahme werden oft von das gleiche Gerät, das als Unterwasserakustik- (hydroakustische) Antenne oder Hydrophon (wenn es sich nur um ein Empfangsgerät handelt) oder Wandler bezeichnet wird, wenn es in beide Richtungen funktioniert.

In den allermeisten Fällen besteht eine hydroakustische Antenne aus einem oder mehreren piezoelektrischen Elementen: Platten, Scheiben, Ringe, Rohre, Kugeln, Halbkugeln usw.

Piezoelemente haben den sogenannten piezoelektrischen Effekt. Wenn ein elektrisches Wechselsignal an ein Element angelegt wird, beginnt das Element zu schwingen, und wenn das Element beispielsweise durch eine akustische Welle schwingt, dann beginnt an ihm ein elektrisches Wechselsignal zu erzeugen.

Daher wandelt das piezoelektrische Element ein elektrisches Signal in Schallwellen (mechanische Schwingungen) und umgekehrt Schallwellen in ein elektrisches Signal um.

Wie heißt es so schön: Theorie ohne Praxis ist tot! Lassen Sie uns keine Zeit verschwenden und ein Paar hydroakustischer Antennen herstellen.

Schritt 1: Stückliste

Materialien, die wir brauchen:

• ein Paar Piezo-Summer Ф35mm (wir haben 10 Stück für $1,5 bei Aliexpress gekauft)
• ein 10 Meter langes Stück RG-174-Kabel
• zwei 3,5 mm Klinken-Stereo-Anschlüsse
• Kupfer / Messing / Edelstahlblech 50x100 mm breit 1-2 mm dick
• Epoxidklebstoff
• Silikondichtmittel (ohne Essig)
• Lot und Flussmittel
• Alkohol zum Entfetten
• zwei beliebige Widerstände mit Nennwerten ~100Ω und 470-1000 kΩ (wir haben 0,25 W MF25 genommen)
• zwei Dioden 1N4934
• Nylon Faden

Instrumente:

• Bohrer und Bohrer Ф3mm und 2,5 mm (zum Bohren von Kupferplatten)
• Bügelsäge oder Dremel (um eine Kupferplatte zu schneiden)
• Schleifpapier 200-600 Körnung (zum Reinigen der Kupferplatte)
• Messer, Drahtschneider (zum Abisolieren von Drähten)
• Lötkolben oder PCB-Rework-Station
• Zahnspachtel zum Ausgleichen von Versiegelung

Schritt 2: Sehr einfache Schaltung

Es ist einfach keine gute Idee, ein Piezoelement direkt an eine Soundkarte, einen Laptop oder ein Tablet anzuschließen.

Erstens kann das piezoelektrische Element eine ausreichend große Ladung ansammeln, die beim Anschließen die Elektronik beschädigen kann.

Zweitens müssen Sie beim Anschluss an einen Line- oder Mikrofoneingang einer Soundkarte die Eingangskaskade der Soundkarte schützen.

Um zu verhindern, dass sich die nicht angeschlossene Antenne auflädt, schalten wir parallel dazu einen Widerstand von 0,5-1 MΩ (R1).

In der Empfangsantenne kann man zur Begrenzung der maximalen Spannung den einfachsten Schwellwertbegrenzer aus den Dioden D1, D2 und dem Widerstand 100Ω (R2) zusammenbauen. Als Dioden haben wir 1N4934 und als Widerstände R1, R2 MF25 (R1 470 kOhm) verwendet.

Bitte beachten Sie, dass Sie, wenn Sie die Empfangsantenne an den Mikrofoneingang (und nicht an den Line-Eingang) anschließen möchten, zusätzlich einen Kondensator C1 mit nominal 0,1.. 1 uF benötigen, ansonsten die Stromversorgung der Soundkarte zum Elektretmikrofon wird über die Diode D1 kurzgeschlossen.

Schritt 3: Design der Antenne

Piezoelemente selbst müssen mit Epoxid auf Metallplatten geklebt werden. Es senkt die Resonanzfrequenz des piezoelektrischen Elements (wenn die nicht aufgehängte Masse hinzugefügt wird).

Außerdem kann sich das piezoelektrische Element nicht zusammenziehen und dehnen, da es mit einer Seite an eine starre Metallplatte geklebt ist, und es muss sich biegen. Das brauchen wir.

• Wir haben zwei quadratische Platten 50 x 50 mm geschnitten und Löcher für das Kabel (3 mm Durchmesser) und zwei Löcher zur Befestigung des Kabels mit einem dünnen Nylonfaden gebohrt, es stellte sich heraus wie auf dem Foto
• Antennen bekamen von dem gekauften 10-Meter-Kabel zwei Stücke von 3 Metern, der Rest blieb in Reserve
• Wir wickeln das Kabel in das Loch, löten seinen zentralen Kern an die Metallisierungsschicht des piezoelektrischen Elements und den Schirm an seine Metallbasis. Parallel dazu löten wir wie vereinbart einen Widerstand von 470 kΩ.
• Wir reinigen das andere Ende des Kabels und montieren den Stecker: Löten Sie den mittleren Kern an den mittleren Kontakt (die äußerste Spitze des Steckers), lassen Sie den mittleren intakt und löten Sie den Steckerkörper an den Kabelmantel.

Ich vergesse immer, den Steckerkörper auf das Kabel zu stecken und muss alles zweimal nachlöten. Wiederholen Sie meinen Fehler nicht).

Nach dem Löten ist es sehr wichtig, das Flussmittel zu reinigen - insbesondere am Piezoelement. Andernfalls frisst das Flussmittel mit der Zeit das Löten.

Also haben wir zwei Antennen vorbereitet (eine davon hat einen Schwellwertbegrenzer). Jetzt ist es an der Zeit, das Epoxid zu kneten und Latexhandschuhe zu tragen.

Schritt 4: Kleben

Vor dem Aufkleben der Piezoelemente auf die Kupferplatten sollten beide gründlich geschliffen und mit Alkohol (Ethyl oder Isopropyl) oder Aceton entfettet werden.

Verwenden Sie nichts anderes! Benzin oder Kerosin hinterlassen fettige Spuren, die die Haftung beeinträchtigen.

Es sei daran erinnert, dass alle Arbeiten mit Alkoholen, Aceton und Epoxid in einem gut belüfteten Raum mit geschützten Händen und Augen durchgeführt werden sollten. Vernachlässigen Sie nicht die Sicherheitsregeln!

Wir sättigen den Nylonfaden, der das Kabel an der Platte hält. Um das piezoelektrische Element auf die Platte zu kleben, verwenden Sie nur ein wenig Epoxidkleber. Übertreibe es nicht! Das Epoxid sollte nicht nach oben gelangen, da es sonst während der Polymerisation eine dünne Schicht Piezokeramik zerstören kann und das Epoxid in Wasser zerfällt.

Das Ergebnis sollte in etwa wie auf den Fotos aussehen. Normalerweise polymerisiert Epoxid innerhalb von 24 Stunden vollständig. Wir haben zum Beispiel unsere Antennen bis zum nächsten Tag gelassen.

Schritt 5: Imprägnierung

Als wir morgens im Labor ankamen, schlossen wir die erste Antenne (ohne Schwellwertbegrenzer) an die Kopfhörerbuchse des Laptops an. Schaltet man die Musik ein und bringt die Antenne ans Ohr, kann man sich vergewissern, dass zumindest der hörbare Frequenzbereich recht gut wiedergegeben wird. Es gibt sogar einen Hauch von Bass, das Ergebnis der Kupferbasis.

Jetzt haben wir also eine akustische Sendeantenne, aber immer noch keine hydroakustische. Um dies zu beheben, sollten wir die Antenne erneut entfetten und mit einer dünnen Schicht Versiegelung bedecken.

Wichtiger Hinweis: Verwenden Sie nicht die acetathaltige Sanitärversiegelung! Die darin enthaltene Essigsäure greift die Lötstellen, das Kabel und die Metallisierung des Piezoelements an.

Wir empfehlen Kim Tek Flüssiggummi für Boote und Yachten. Heimwerker aus den USA können statt Dichtmasse die hervorragenden Polyurethan-Compounds der Firma Smooth-On verwenden.

Der Einfachheit halber füllen wir die medizinische Einwegspritze zuerst mit Dichtmittel und tragen es dann auf das piezoelektrische Element und die Lötstellen auf.

Nach dem Auftragen der Versiegelung nivellieren wir sie mit einem Zahnspatel oder mit einer geeigneten Methode (auch mit dem Finger). Am Ende haben wir es wie auf dem Bild bekommen.

Sie sollten die Dichtmasse nicht zu dick auftragen - die Antenne verliert an Empfindlichkeit. Eine Schicht von 1 mm ist absolut ausreichend. Schützen Sie Lötstellen, Widerstände und Dioden sorgfältig mit Dichtmittel.

Sie können die Rückseite der Platte mit einem Dichtmittel abdecken - wir haben es an einer Antenne gemacht.

Wenn Sie die Widerstände und Dioden näher an das Kabel heranbringen, lässt sich das piezoelektrische Element viel bequemer mit Dichtmittel bestreichen und die Schicht wird glatter.

Nach Abschluss einer solchen Bildhauerarbeit lassen wir die Antennen wieder für 24 Stunden stehen….

Und herzlichen Glückwunsch! Jetzt haben Sie zwei Hydrophone!

Schritt 6: Post Scriptum

Jetzt können Sie überprüfen, wie gut neu gebaute Antennen sind, indem Sie sie direkt mit Ihrem Laptop, Tablet oder Telefon verbinden.

Leider sind nicht alle Geräte freundlich zu einer Unterwasserakustik. Vor allem moderne Soundkarten haben Tiefpassfilter im Mikrofoneingang, die alles über 15 kHz schneiden. Aber einige der Laptops haben solche Filter nicht.

Diese Hydrophon und Wandler, die wir gebaut haben, sind nur ein Anfang: Wir planen, eine Reihe von Instructables über akustische Unterwasserkommunikation und -navigation zu veröffentlichen, bitte lassen Sie es uns wissen, wenn Sie interessiert sind!