Χαμηλού κόστους υδρόφωνο και υπερηχητικός μετατροπέας: 6 βήματα

2025 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2025-01-23 14:39

Θέλετε να ηχογραφήσετε δελφίνια ή φάλαινες να μιλούν; Or να χτίσετε ένα υποβρύχιο σύστημα ακουστικής επικοινωνίας; Εντάξει, θα σας διδάξουμε «πώς».

Ας ξεκινήσουμε με το κύριο πράγμα: κεραία. Εάν στην καθημερινή ζωή χρησιμοποιούμε ηχεία (όπως στο φορητό υπολογιστή ή το αυτοκίνητό σας) για εκπομπή ήχου και μικρόφωνο για εγγραφή ήχου, τότε βιάζομαι να σας ευχαριστήσω: ο ήχος που μεταδίδει υποβρύχια (λέμε «ακτινοβολία») και ηχογράφηση εκτελούνται συχνά από την ίδια συσκευή, η οποία ονομάζεται υποβρύχια ακουστική (υδροακουστική) κεραία ή υδρόφωνο (εάν πρόκειται για συσκευή μόνο λήψης) ή μετατροπέας εάν λειτουργεί και με τους δύο τρόπους.

Στη συντριπτική πλειοψηφία των περιπτώσεων, μια υδροακουστική κεραία αποτελείται από ένα ή περισσότερα πιεζοηλεκτρικά στοιχεία: πλάκες, δίσκοι, δακτύλιοι, σωλήνες, σφαίρες, ημισφαίρια κ.λπ.

Τα πιεζοστοιχεία έχουν το λεγόμενο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο. Εάν ένα εναλλασσόμενο ηλεκτρικό σήμα εφαρμοστεί σε ένα στοιχείο, το στοιχείο αρχίζει να ταλαντώνεται και εάν το στοιχείο ταλαντεύεται, για παράδειγμα, από ένα ακουστικό κύμα, τότε αρχίζει να δημιουργείται ένα εναλλασσόμενο ηλεκτρικό σήμα πάνω του.

Επομένως, το πιεζοηλεκτρικό στοιχείο μετατρέπει ένα ηλεκτρικό σήμα σε ακουστικά κύματα (μηχανικές δονήσεις) και αντίστροφα - ακουστικά κύματα σε ηλεκτρικό σήμα.

Όπως λέει και η παροιμία: η θεωρία χωρίς πρακτική είναι νεκρή! Ας μην χάνουμε χρόνο και ας φτιάξουμε ένα ζευγάρι υδροακουστικές κεραίες.

Βήμα 1: Λογαριασμός Υλικών

Υλικά που χρειαζόμαστε:

• ένα ζευγάρι πιεζοηλεκτρικά buzzers Ф35mm (αγοράσαμε 10 τεμάχια για $ 1,5 στο Aliexpress)
• ένα κομμάτι καλωδίου RG-174 10 μέτρων
• δύο υποδοχές στερεοφωνικών υποδοχών 3,5 mm
• χαλκός / ορείχαλκος / ανοξείδωτη πλάκα πλάτους 50x100 mm πάχος 1-2 mm
• εποξική κόλλα
• στεγανωτικό σιλικόνης (μη οξικό)
• συγκόλληση και ροή
• αλκοόλ για απολίπανση
• οποιεσδήποτε δύο αντιστάσεις με ονομαστικές τιμές ~ 100Ω και 470-1000 kΩ (πήραμε 0,25 W MF25)
• δύο διόδους 1N4934
• νάιλον νήμα

Οργανα:

• τρυπάνι και τρυπάνια Ф3mm και 2,5 mm (για διάτρηση πλάκας χαλκού)
• πριόνι ή ντρέμελ (για να κόψετε μια πλάκα χαλκού)
• γυαλόχαρτο 200-600 τρίψιμο (για να καθαρίσετε την πλάκα χαλκού)
• μαχαίρι, κόπτες σύρματος (για απογύμνωση καλωδίων)
• συγκολλητικό σίδερο ή σταθμός επεξεργασίας PCB
• οδοντιατρική σπάτουλα για ισοπέδωση στεγανωτικού

Βήμα 2: Πολύ εύκολο κύκλωμα

Απλώς δεν είναι καλή ιδέα να συνδέσετε ένα πίεζο στοιχείο σε μια κάρτα ήχου, φορητό υπολογιστή ή tablet απευθείας.

Πρώτον, το πιεζοηλεκτρικό στοιχείο μπορεί να συσσωρεύσει αρκετά μεγάλο φορτίο που μπορεί να βλάψει τα ηλεκτρονικά όταν είναι συνδεδεμένα.

Δεύτερον, όταν συνδέεστε σε μια είσοδο γραμμής ή μικροφώνου μιας κάρτας ήχου, πρέπει να προστατεύσετε τον καταρράκτη εισόδου της κάρτας ήχου.

Προκειμένου να αποφευχθεί η συσσώρευση φόρτισης της μη συνδεδεμένης κεραίας, τοποθετούμε παράλληλα μια αντίσταση 0,5-1 MΩ (R1).

Στην κεραία λήψης για να περιορίσετε τη μέγιστη τάση μπορείτε να συναρμολογήσετε τον απλούστερο περιοριστή κατωφλίου από τις διόδους D1, D2 και την αντίσταση 100Ω (R2). Ως δίοδοι, χρησιμοποιήσαμε 1N4934 και ως αντιστάσεις R1, R2 πήραμε MF25 (R1 470 kOhm).

Λάβετε υπόψη ότι εάν σκοπεύετε να συνδέσετε την κεραία λήψης στην είσοδο μικροφώνου (και όχι στη γραμμή), τότε θα χρειαστείτε επιπλέον έναν πυκνωτή C1 με ονομαστικό 0,1.. 1 uF, διαφορετικά, η ισχύς που παρέχεται από την κάρτα ήχου στο ηλεκτρικό μικρόφωνο θα βραχυκυκλωθεί μέσω της διόδου D1.

Βήμα 3: Σχεδιασμός της κεραίας

Τα ίδια τα στοιχεία πιεζό πρέπει να κολληθούν σε μεταλλικές πλάκες με εποξειδική. Θα μειώσει τη συχνότητα συντονισμού του πιεζοηλεκτρικού στοιχείου (καθώς προστίθεται η μη αιωρούμενη μάζα).

Επίσης, κολλημένο από τη μία πλευρά σε μια άκαμπτη μεταλλική πλάκα, το πιεζοηλεκτρικό στοιχείο δεν θα μπορεί να συστέλλεται και να τεντώνεται και θα πρέπει να λυγίσει. Αυτό χρειαζόμαστε.

• Κόψαμε δύο τετράγωνες πλάκες 50 x 50 mm και ανοίξαμε τρύπες για το καλώδιο (3 mm σε διάμετρο) και δύο οπές για τη στερέωση του καλωδίου με ένα λεπτό νάιλον νήμα, αποδείχθηκε όπως στη φωτογραφία
• Οι κεραίες πήραν δύο κομμάτια των 3 μέτρων από το αγορασμένο κομμάτι καλωδίου 10 μέτρων, τα υπόλοιπα έμειναν σε αποθεματικό
• Τυλίγουμε το καλώδιο στην τρύπα, κολλάμε τον κεντρικό πυρήνα του στο στρώμα μεταλλοποίησης του πιεζοηλεκτρικού στοιχείου και την οθόνη στην μεταλλική βάση του. Παράλληλα, όπως συμφωνήθηκε, συγκολλήσαμε μια αντίσταση 470 kΩ.
• Καθαρίζουμε το άλλο άκρο του καλωδίου και συναρμολογούμε τον σύνδεσμο: συγκολλάμε τον κεντρικό πυρήνα στην κεντρική επαφή (το άκρο του συνδετήρα), αφήνουμε το μεσαίο άθικτο και κολλάμε το σώμα του συνδέσμου στο περίβλημα του καλωδίου.

Πάντα ξεχνάω να βάλω το σώμα του συνδετήρα στο καλώδιο και πρέπει να τα ξανακολλήσω δύο φορές. Μην επαναλάβετε το λάθος μου).

Μετά τη συγκόλληση είναι πολύ σημαντικό να καθαρίσετε τη ροή - ειδικά στο πιεζοηλεκτρικό στοιχείο. Διαφορετικά, με την πάροδο του χρόνου η ροή θα φάει τη συγκόλληση.

Έτσι, έχουμε ετοιμάσει δύο κεραίες (μία από αυτές έχει ένα όριο περιορισμού). Τώρα ήρθε η ώρα να ζυμώσετε το εποξικό και να φορέσετε γάντια λατέξ.

Βήμα 4: Κόλληση

Πριν κολλήσετε τα πιεζοηλεκτρικά στοιχεία στις πλάκες χαλκού, και τα δύο πρέπει να λειανθούν καλά και να απολιπανθούν με αλκοόλη (αιθύλιο ή ισοπροπύλιο) ή ακετόνη.

Μην χρησιμοποιείτε τίποτα άλλο! Η βενζίνη ή η κηροζίνη αφήνουν λιπαρά ίχνη που επηρεάζουν την πρόσφυση.

Αξίζει να υπενθυμίσουμε ότι όλες οι εργασίες με αλκοόλες, ακετόνη και εποξικά πρέπει να εκτελούνται σε καλά αεριζόμενο χώρο με προστατευμένα χέρια και μάτια. Μην αμελείτε τους κανόνες ασφαλείας!

Χορταίνουμε το νάιλον νήμα που συγκρατεί το καλώδιο στην πλάκα. Για την κόλληση του πιεζοηλεκτρικού στοιχείου στην πλάκα χρησιμοποιήστε μόνο λίγο εποξειδική κόλλα. Μην το παρακανεις! Το εποξικό δεν πρέπει να φτάσει στην κορυφή, διαφορετικά, μπορεί να καταστρέψει ένα λεπτό στρώμα πιεζοκεραμικών κατά τη διάρκεια του πολυμερισμού, συν το εποξικό να αλλοιώνεται στο νερό.

Το αποτέλεσμα θα πρέπει να είναι κάτι σαν στις φωτογραφίες. Συνήθως, το εποξικό πολυμερίζεται πλήρως εντός 24 ωρών. Εμείς, για παράδειγμα, αφήσαμε τις κεραίες μας μέχρι την επόμενη μέρα.

Βήμα 5: Στεγανοποίηση

Όταν φτάσαμε στο εργαστήριο το πρωί, συνδέσαμε την πρώτη κεραία (χωρίς περιορισμό ορίου) στην υποδοχή ακουστικών του φορητού υπολογιστή. Εάν ενεργοποιήσετε τη μουσική και φέρετε την κεραία στο αυτί σας, μπορείτε να βεβαιωθείτε ότι τουλάχιστον το ακουστικό εύρος συχνοτήτων αναπαράγεται αρκετά καλά. Υπάρχει ακόμη και μια ένδειξη μπάσου, το αποτέλεσμα της χάλκινης βάσης.

Έτσι, τώρα έχουμε μια ακουστική κεραία μετάδοσης, αλλά ακόμα όχι υδροακουστική. Για να το διορθώσουμε, πρέπει να απολιπάνουμε ξανά την κεραία και να την καλύψουμε σε ένα λεπτό στρώμα στεγανωτικού.

Σημαντική σημείωση: Μη χρησιμοποιείτε στεγανωτικό υλικού υγιεινής που περιέχει οξικό άλας! Το οξικό οξύ που περιέχεται σε αυτό θα διαβρώσει τις αρμούς συγκόλλησης, το καλώδιο και τη μεταλλοποίηση του πιεζοηλεκτρικού στοιχείου.

Προτείνουμε υγρό καουτσούκ Kim Tek για σκάφη και γιοτ. DIY-ers από τις Ηνωμένες Πολιτείες μπορούν να χρησιμοποιήσουν τις εξαιρετικές ενώσεις πολυουρεθάνης από την εταιρεία Smooth-On αντί στεγανωτικού.

Για τη διευκόλυνσή μας, γεμίζουμε πρώτα την ιατρική σύριγγα μιας χρήσης με στεγανωτικό και στη συνέχεια την εφαρμόζουμε στις πιεζοηλεκτρικές ενώσεις και τις συνδέσεις συγκόλλησης.

Αφού εφαρμόσουμε το στεγανωτικό, το ισοπεδώνουμε με μια οδοντική σπάτουλα ή με αυτό που βολεύει (ακόμα και με ένα δάχτυλο). Στο τέλος, το πήραμε όπως στην εικόνα.

Δεν πρέπει να κάνετε ένα στρώμα στεγανωτικού πολύ παχύ - η κεραία θα χάσει την ευαισθησία. Ένα στρώμα 1 mm είναι απολύτως επαρκές. Προστατέψτε προσεκτικά τις συνδέσεις συγκόλλησης, τις αντιστάσεις και τις διόδους με στεγανωτικό.

Μπορείτε να καλύψετε την πίσω πλευρά της πλάκας με στεγανωτικό - το κάναμε σε μία κεραία.

Εάν μετακινήσετε τις αντιστάσεις και τις διόδους πιο κοντά στο καλώδιο, τότε το πιεζοηλεκτρικό στοιχείο θα είναι πολύ πιο βολικό για επάλειψη με στεγανωτικό και το στρώμα θα είναι πιο λείο.

Μετά την ολοκλήρωση αυτού του είδους του έργου του γλύπτη, αφήνουμε ξανά τις κεραίες για 24 ώρες….

Και συγχαρητήρια! Τώρα έχετε δύο υδρόφωνα!

Βήμα 6: Post Scriptum

Τώρα μπορείτε να ελέγξετε πόσο καλές είναι οι νεόδμητες κεραίες συνδέοντάς τις απευθείας με το φορητό υπολογιστή, το tablet ή το τηλέφωνό σας.

Δυστυχώς, δεν είναι όλες οι συσκευές φιλικές προς μια υποβρύχια ακουστική. Οι περισσότερες σύγχρονες κάρτες ήχου διαθέτουν φίλτρα χαμηλής διέλευσης στην είσοδο μικροφώνου, κόβοντας τα πάντα πάνω από τα 15 kHz. Αλλά μερικοί από τους φορητούς υπολογιστές δεν έχουν τέτοια φίλτρα.

Αυτά τα υδρόφωνα και μετατροπείς που έχουμε κατασκευάσει είναι μόνο η αρχή: σχεδιάζουμε να δημοσιεύσουμε μια σειρά οδηγιών σχετικά με την υποβρύχια ακουστική επικοινωνία και πλοήγηση, ενημερώστε μας αν σας ενδιαφέρει!